Солнечная энергетика

Содержание

Введение 3

Земные условия 4

История развития солнечной энергетики 4

Способы получения  электричества и тепла из солнечного излучения: 5

Направления научных исследований 6

Типы фотоэлектрических  элементов 8

Минимальные цены на фотоэлементы (начало 2007 г.) 9

Солнечная термальная энергетика 9

Заинтересованность  общества 10

Сферы деятельности человека, где энергия солнца получила наибольшее распространение: 11

Использование солнечной энергии в Республике Беларусь 13

Перспективы солнечной энергетики 13

Заключение 14

Список использованной литературы 15

Введение

Солнечная энергетика —  направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании  солнечного излучения для получения  энергии в каком-либо виде. Солнечная  энергетика использует неисчерпаемый  источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных  отходов. Производство энергии с  помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.

     В настоящее  время солнечная энергетика широко применяется в случаях, когда малодоступность других источников энергии в совокупности с изобилием солнечного излучения оправдывает её экономически.

Земные  условия

Карта солнечного излучения

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную  перпендикулярно потоку излучения  на расстоянии одной астрономической  единицы от центра Солнца (на входе  в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной  массы Земли, максимальный поток  солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м². Однако следует  учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через  единичную горизонтальную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения  угла солнца над горизонтом). Зимой  в умеренных широтах это значение в два раза меньше[1].

Возможная выработка энергии  уменьшается из-за глобального затемнения — уменьшения потока солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

История развития солнечной энергетики

 В 1839 году Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект.

 Спустя 44 года Чарльзу  Фриттсу удалось сконструировать первый модуль с использованием солнечной энергии, основой для него послужил селен, покрытый тончайшим слоем золота. Ученый установил, что такое сочетание элементов позволяет, хоть и в минимальной степени (около 1%), преобразовывать энергию солнца в электричество[2].

 Именно 1883 год принято  считать годом рождения эры  солнечной энергетики. Однако так  думают не все. В научном  свете бытует мнение, что «отцом»  эпохи солнечной энергии является  не кто иной, как сам Альберт  Эйнштейн.

 В 1921 году Эйнштейн  был удостоен Нобелевской премии. Многие считают, что эту награду  великий ученый XX века получил  за обоснование сформулированной  им теории относительности, но  это не так. Оказывается, премию  физик получил именно за объяснение  законов внешнего фотоэффекта. 

 В течение ста лет  развитие отрасли переживало  то резкие, стимулированные учеными,  инвестициями частных и государственных  структур подъемы, то горькие  падения, заставившие общество  забыть о «солнечных технологиях»  на годы.

Способы получения электричества и тепла  из солнечного излучения:

• Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.
• Преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин:

- паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной    пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны;

          -  двигатель Стирлинга и т. д.

• гелиотермальная энергетика — нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).
• Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).
• «Солнечный парус» - устройство, способное в безвоздушном пространстве преобразовывать солнечные лучи в кинетическую энергию.
• Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество: запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду[3].

Достоинства использования  солнечной энергетики:

• Общедоступность и неисчерпаемость источника.
• Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно)[5].

Недостатки использования солнечной энергетики:

• Зависимость от погоды и времени суток.
• Как следствие необходимость аккумуляции энергии.
• Высокая стоимость конструкции.
• Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли.
• Нагрев атмосферы над электростанцией[5].

Направления научных исследований

1. Фундаментальные исследования

Из-за теоретических ограничений  в преобразовании спектра в полезную энергию (около 30 %) для фотоэлементов  первого и второго поколения  требуется использование больших  площадей земли под электростанции. Например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров (для сравнения, — гидроэнергетика, при таких же мощностях, выводит из пользования заметно большие участки земли), но строительство солнечных электростанций такой мощности может привести к изменению микроклимата в прилегающей местности и поэтому в основном устанавливаются фотоэлектрические станции мощностью 1 — 2 МВт недалеко от потребителя или даже индивидуальные и мобильные установки. Фотоэлектрические элементы на крупных солнечных электростанциях устанавливаются на высоте 1,8—2,5 метра, что позволяет использовать земли под электростанцией для сельскохозяйственных нужд, например, для выпаса скота. Проблема нахождения больших площадей земли под солнечные электростанции решается в случае применения солнечных аэростатных электростанций, пригодных как для наземного, так и для морского и для высотного базирования[6].

Поток солнечной энергии, падающий на установленный под оптимальным  углом фотоэлемент, зависит от широты, сезона и климата и может различаться  в два раза для заселённой части  суши (до трёх с учётом пустыни Сахара). Атмосферные явления (облака, туман, пыль и др.) не только изменяют спектр и интенсивность падающего на поверхность Земли солнечного излучения, но и изменяют соотношение между  прямым и рассеянным излучениями, что  оказывает значительное влияние  на некоторые типы солнечных электростанций, например, с концентраторами или  на элементах широкого спектра преобразования[9].

2. Прикладные исследования

Фотоэлектрические преобразователи  работают днём и с меньшей эффективностью работают в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме  того, производимая ими электроэнергия может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков на солнечных электростанциях используются эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это не достаточно решённая проблема), либо преобразуют в другие виды энергии, например, строят гидроаккумулирующие станции, которые занимают большую территорию, или концепцию водородной энергетики, которая на сегодняшний день пока недостаточно экономически эффективна. В настоящее время эта проблема просто решается созданием единых энергетических систем, которые перераспределяют вырабатываемую и потребляемую мощность. Проблема некоторой зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается также с помощью солнечных аэростатных электростанций[5].

На сегодняшний день сравнительно высокая цена солнечных фотоэлементов. С развитием технологии и ростом цен на ископаемые энергоносители этот недостаток преодолевается. В 1990—2005 гг. цены на фотоэлементы снижались в  среднем на 4 % в год[8].

Поверхность фотопанелей и зеркал (для тепломашинных ЭС) нужно очищать от пыли и других загрязнений. В случае крупных фотоэлектрических станций, при их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения, но применение отполированного стекла на современных солнечных батареях решает эту проблему.

Эффективность фотоэлектрических  элементов падает при их нагреве (в основном это касается систем с концентраторами), поэтому возникает  необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных. Также в  фотоэлектрических преобразователях третьего и четвёртого поколений  используют для охлаждения преобразование теплового излучения в излучение  наиболее согласованное с поглощающим  материалом фотоэлектрического элемента (так называемое up-conversion), что одновременно повышает КПД[7].

Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических  элементов начинает снижаться. Отработавшие своё фотоэлементы, хотя и незначительная их часть, в основном специального назначения, содержат компонент (кадмий), который  недопустимо выбрасывать на свалку. Нужно дополнительное расширение индустрии  по их утилизации.

3. Экологические проблемы

При производстве фотоэлементов  уровень загрязнений не превышает  допустимого уровня для предприятий  микроэлектронной промышленности. Современные  фотоэлементы имеют срок службы 30—50 лет. Применение кадмия, связанного в  соединениях, при производстве некоторых  типов фотоэлементов, с целью  повышения эффективности преобразования, ставит сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения, хотя такие элементы имеют незначительное распространение и соединениям кадмия при современном производстве уже найдена достойная замена.

В последнее время активно  развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых  содержится всего около 1 % кремния, по отношению к массе подложки на которую наносятся тонкие плёнки. Из-за малого расхода материалов на поглощающий слой, здесь кремния, тонкоплёночные кремниевые фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность и неустранимую деградацию характеристик во времени. Кроме того, развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов на других полупроводниковых материалах, в частности CIS и CIGS, достойных конкурентов кремнию. Так, например, в 2005 году компания «Shell» приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству монокристаллических (нетонкоплёночных) кремниевых фотоэлектрических элементов[10].

Солнечные концентраторы  вызывают большие по площади затенения  земель, что приводит к сильным  изменениям почвенных условий, растительности и т. д. Нежелательное экологическое  действие в районе расположения станции  вызывает нагрев воздуха при прохождении  через него солнечного излучения, сконцентрированного  зеркальными отражателями. Это приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров; в  некоторых случаях возможны перегрев и возгорание систем, использующих концентраторы, со всеми вытекающими  отсюда последствиями. Применение низкокипящих жидкостей и неизбежные их утечки в солнечных энергетических системах во время длительной эксплуатации могут  привести к значительному загрязнению  питьевой воды. Особую опасность представляют жидкости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными веществами.

Типы  фотоэлектрических элементов

• Монокристаллические кремниевые
• Поликристаллические кремниевые
• Тонкоплёночные

В 2005 году на тонкоплёночные фотоэлементы приходилось 6 % рынка. В 2006 году тонкоплёночные фотоэлементы занимали 7 % долю рынка. В 2007 году доля тонкоплёночных технологий увеличилась до 8 %. В 2009 году доля тонкоплёночных фотоэлементов  выросла до 16,8 %.

За период с 1999 года по 2006 год поставки тонкоплёночных фотоэлементов  росли ежегодно в среднем на 80 %.

Минимальные цены на фотоэлементы (2007 г.)

• Монокристаллические кремниевые — 4,30 $/Вт установленной мощности.
• Поликристаллические кремниевые — 4,31 $/Вт установленной мощности.
• Тонкоплёночные — 3,0 $/Вт установленной мощности.

Стоимость кристаллических  фотоэлементов на 40—50 % состоит из стоимости кремния.

Кремний (основной ресурс для  производства большинства типов  солнечных батарей) - второй по распространенности элемент на нашей планете. На кремний  приходится более четверти общей  массы земной коры.

 В большинстве случаев  это вещество встречается в  виде окиси - SiO2, а вот добыть  чистый кремний из этого соединения  сложно, даже проблематично. 

 Здесь имеют место  стоимостные факторы, особенности  технологий. Интересно отметить, что  себестоимость чистого «солнечного»  кремния равна себестоимости  урана для АЭС, вот только  запасов кремния на нашей планете  в 100 тысяч раз больше.

 По причине дороговизны  кремния, отражающейся на розничной  цене солнечных элементов, исследовательские  центры на протяжении многих  лет работают над поиском достойной  альтернативы.

 К примеру, можно  использовать вместо кремния  синтетические волокна, способные  под воздействием света генерировать  электрический ток[9].

Солнечная термальная энергетика

Солнечная энергия широко используется как для нагрева  воды, так и для производства электроэнергии. Солнечные коллекторы производятся из доступных материалов: сталь, медь, алюминий и т. д., то есть без применения дефицитного и дорогого кремния. Это позволяет значительно сократить  стоимость оборудования, и произведенной  на нём энергии. В настоящее время  именно солнечный нагрев воды является самым эффективным способом преобразования солнечной энергии.

В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09-$0,12 за кВт·ч. Департамент Энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04-$0,05 к 2015—2020 г.

В 2007 году в Алжире началось строительство гибридных электростанций. В дневное время суток электроэнергия производится параболическими концентраторами, а ночью из природного газа.

На начало 2010 года общая  мировая мощность солнечной термальной энергетики (концентраторных солнечных станций) достигла одного гигаватта[9].

Заинтересованность  общества

 Тенденция роста цен  на ископаемое топливо стимулирует  и в некоторой степени оправдывает  высокие затраты частных и  государственных инвесторов на  развитие и внедрение «солнечных»  технологий.

    В определенной мере заинтересованность общества в этом альтернативном источнике энергии является следствием обеспокоенности людей промышленными и транспортными выбросами парниковых газов – одной из причин глобальных изменений климата. К счастью, регулирующие структуры с каждым годом ужесточают требования по выбросам в атмосферу газов к государствам и отдельным компаниям.

Стратегия и тактика частного бизнеса по производству «солнечной»  энергии 

 В наши дни, особенно  в развитых странах, большой  популярностью пользуются так  называемые приватные или частные  солнечные установки. В некоторой  мере «семейная добыча» электричества  посредством гелиоустановок превратилась  в достаточно стабильный и  прибыльный бизнес.

 Конечно, здесь важно  учитывать большое количество  специфических факторов (географическое  расположение, климат, политика, рыночная  ситуация), однако в США и в  некоторых европейских странах  много фермеров, доселе занимавшихся  выращиванием скота, сегодня переоборудовали  пастбища в поля для сборки  солнечной энергии. Стратегия  такого бизнеса проста – предприимчивые  люди не только используют  солнечное электричество без  ущерба для собственного бюджета,  но и продают излишки энергии  государственным структурам. К примеру,  в Германии службы скупают  солнечное электричество у фермеров, частных лиц, а потом продают  его населению по низкой цене. Более того, стать участником  этого специфического рынка может  практически каждый – бизнесмены, устанавливающие фотоэлектрические  преобразователи на крыши офисов, владельцы земельных участков. При  нынешних ценах стандартная солнечная  установка окупается за 8 с лишним  лет. 

Технологии солнечной  энергетики

 Более чем за полвека  ученые перепробовали огромное  количество различных вариантов  и способов добычи и использования  солнечной энергии. Дорогие и  малоэффективные технологии уступали  место привлекательным и дешевым  разработкам, которые не прекращают  совершенствоваться на протяжении  многих лет. 

 Классификация «солнечных»  технологий, разделенных учеными  на 4 группы:

1) Активные – вместе  с преобразователями задействуются  механизмы, электромоторы, помпы.  Солнечная энергия используется  для нагрева воды, освещения, вентиляции.

2) Пассивные – отличаются от активных отсутствием в контурах систем каких-либо механизмов, движущих частей. Особенностью построения пассивных солнечных структур для организации систем вентиляции, отопления является подбор соответствующих по физическим параметрам строительных материалов, специфическая планировка помещения, размещение окон.

3) Непосредственные или  «прямым» - системы, преобразовывающие  солнечную энергию в ходе одного  уровня или этапа. 

4) «Непрямые» технологии - системы, процесс функционирования  которых включает в себя многоуровневые  преобразования и трансформации  для получений требуемой формы  энергии[6].

 Исходя из выше представленной  классификации групп технологий  солнечной энергетики, можно выделить сферы деятельности человека, где энергия солнца получила наибольшее распространение.

Сферы деятельности человека, где энергия  солнца получила наибольшее распространение:

Солнечная кухня

Солнечные коллекторы могут  применяться для приготовления  пищи. Температура в фокусе коллектора достигает 150 °С. Такие кухонные приборы могут широко применяться в развивающихся странах. Стоимость материалов необходимых для производства «солнечной кухни» составляет $3 — $7. В развивающихся странах для приготовления пищи активно используются дрова.

Традиционные очаги для  приготовления пищи имеют термическую  эффективность около 10 %. Использование  дров для приготовления пищи приводит к массированной вырубке лесов. Например, в Индии от сжигания биомассы ежегодно поступает в атмосферу  более 68 млн тонн СО2. В Уганде среднее домохозяйство ежемесячно потребляет 440 кг дров.

Домохозяйки при приготовлении  пищи вдыхают большое количество дыма, что приводит к увеличению заболеваемости дыхательных путей. По данным Всемирной организации  здравоохранения в 2006 году в 19 странах  южнее Сахары, Пакистане и Афганистане  от заболеваний дыхательных путей  умерло 800 тысяч детей и 500 тысяч  женщин.

Существуют различные  международные программы распространения  солнечных кухонь. Например, в 2008 г. Финляндия и Китай заключили  соглашение о поставках 19 000 солнечных  кухонь в 31 деревню Китая. Это позволит сократить выбросы СО2 на 1,7 млн тонн в 2008—2012 гг. В будущем Финляндия сможет продавать квоты на эти выбросы

Освещение зданий

С помощью солнечного света  можно освещать помещения в дневное  время суток. Для этого применяются  световые колодцы. Простейший вариант  светового колодца — отверстие  в потолке.

Световые колодцы применяются  для освещения помещений, не имеющих  окон: подземные гаражи, станции  метро, промышленные здания, склады, тюрьмы, и т. д.

Использование солнечной энергии в химическом производстве

Солнечная энергия может  применяться в различных химических процессах. Например:

Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (CHP) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентраторов. Площадь зеркал установки составляет 93 м². В фокусе концентратора температура достигает 2200°С. Вода начинает разделяться на водород и кислород при температуре более 1700 °С. За световой день 6,5 часов (6,5 кВт·ч/кв.м.) установка CHP может разделять на водород и кислород 94,9 литров воды. Производство водорода составит 3800 кг в год (около 10,4 кг в день)[11].

Водород может использоваться для производства электроэнергии, или  в качестве топлива на транспорте.

Солнечный транспорт

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных  транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т. д. Они вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства, или для электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические  элементы устанавливают на крыши  ж/д поездов. Они производят электричество  для кондиционеров, освещения и  аварийных систем.

Компания Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius. Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0,6 мм, что никак не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10 %[4].

Ещё 20 ноября 1980, Стив Птачек совершил полет на самолёте Solar Impulse, питающемся только солнечной энергией. На 2010 г. солнечный пилотируемый самолет продержался в воздухе 24 часа. Военные испытывают большой интерес к беспилотным летательным аппаратам (БЛА) на солнечной энергии, способным держаться в воздухе чрезвычайно долго — месяцы и годы. Такие системы могли бы заменить или дополнить спутники[6].

Использование солнечной энергии в Республике Беларусь

 На территорию Беларуси  ежедневно попадает порядка 75-100 Вт/м2 солнечной энергии, что в 5-6 раз меньше, чем на территорию пустыни Сахара.

 Ввиду малого значения  солнечной постоянной, для выработки  энергии, которая покрыла бы  всю потребность республики, необходимо  построить солнечные батареи  на территории, равной 3% всей площади  страны.

 Есть предложения отдать  на застройку территорию, пострадавшую  от аварии на Чернобыльской АС.

 Однако ввиду дороговизны  солнечных батарей и неокончательной  разработки технологий, идея использования  солнечной энергии в Беларуси  пока не рассматривается[1].

Перспективы солнечной энергетики

Сгенерированная на основе солнечного излучения энергия сможет к 2050 году обеспечить 20-25 % потребностей человечества в электричестве и  сократит выбросы углекислоты. Как  полагают эксперты Международного энергетического  агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем  уровне распространения передовых  технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов — или 20-25 % всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно.

Заключение

    На сегодняшний  день, энергия солнца является  наиболее привлекательной потому, что она экологически чистая, поскольку уже миллиарды лет поступает на Землю и все земные процессы с ней свыклись.

     Однако солнечная энергетика только начинает    завоевывать страны с рыночной экономикой и развивающиеся государства.

   Дороговизна технологий сдерживает этот процесс.

   Но постепенное удешевление установок делает энергию солнца все более привлекательной.

     Поток солнечной энергии люди просто обязаны взять под свой контроль и максимально использовать, сохраняя тем самым неизменным уникальный земной климат.

Список использованной литературы

1. Геополитика солнца. Частный Корреспондент. chaskor.ru (22 ноября 2008).
2. Paul Gipe New Record for German Renewable Energy in 2010 25 Март 2011 г.
3. Геополитика солнца. Частный Корреспондент. chaskor.ru (22 ноября 2008). 
4. Володин В.Е., Хазановский П.И. "Энергия, век двадцать первый". -М.:Знание, 2008
5. http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS)
6. Compiled by Earth Policy Institute from European Photovoltaic Industry Association (EPIA), Global Market Outlook for Photovoltaics Until 2013 (Brussels: April 2009), p. 13; EPIA, Global Market Outlook for Photovoltaics Until 2014 (Brussels: May 2010), pp. 5, 10-21.
7. Paul Gipe Spain Generated 3% of its Electricity from Solar in 2010 28 Январь 2011 г
8. Top 10: Ten Largest Solar PV Companies 29 Июнь 2010 г.
9. www.wikipedia.org/Солнечная энергия/
10. www.3dnews.ru/editorial/sun_energy
11. www.biotechnolog.ru.