2014-05-10

Сонячна енергетика

2.75 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 2.75 (2 голосів)

Сонячна енергетика

Сонячна енергетика – напрямок нетрадиційної енергетики, оснований на безпосередньому використанні сонячного випромінювання для отримання енергії в будь-якому вигляді. Сонячна енергетика використовує невичерпне джерело енергії і є екологічно чистою, тобто не виробляє шкідливих відходів. Виробництво енергії за допомогою сонячних електростанцій добре узгоджується з концепцією розподіленого виробництва енергії.

Земні умови

Потік сонячного випромінювання, що проходить через площу в 1 м ?, розташовану перпендикулярно до потоку випромінювання на відстані однієї астрономічної одиниці від центру Сонця (на вході в атмосферу Землі), дорівнює 1367 Вт/м2 (сонячна постійна). Через поглинання, при проходженні атмосферної маси Землі, максимальний потік сонячного випромінювання на рівні моря (на Екваторі) – 1020 Вт/м2. Проте слід врахувати, що середньодобове значення потоку сонячного випромінювання через одиничну горизонтальну площину як мінімум в три рази менше (через зміни дня і ночі і зміни кута сонця над горизонтом). Взимку в помірних широтах це значення в два рази менше.

Можливе вироблення енергії зменшується через глобальне затемнення – зменшення потоку сонячного випромінювання, що доходить до поверхні Землі.

Способи отримання електрики і тепла з сонячного випромінювання

  • отримання електроенергії за допомогою фотоелементів;
  • перетворення сонячної енергії в електрику за допомогою теплових машин: парові машини (поршневі або турбінні), які використовують водяну пару, вуглекислий газ, пропан-бутан, фреони;
  • двигун Стірлінга і т. д.;
  • геліотермальна енергетика – нагрівання поверхні, що поглинає сонячні промені, і подальший розподіл та використання тепла (фокусування сонячного випромінювання на посудині з водою для подальшого використання нагрітої води в опалюванні або в парових електрогенераторах);
  • термоповітряні електростанції (перетворення сонячної енергії в енергію повітряного потоку, що направляється на турбогенератор);
  • сонячні аеростатні електростанції (генерація водяної пари усередині балона аеростата за рахунок нагрівання сонячним випромінюванням поверхні аеростата, покритого селективно-поглинаючим покриттям). Перевага – запасу пари в балоні достатньо для роботи електростанції в темний час доби і в негоду.

Сонячна енергетика: переваги і недоліки

Переваги

  • загальнодоступність і невичерпність джерела;
  • теоретично, повна безпека для навколишнього середовища, хоча існує ймовірність того, що повсюдне впровадження сонячної енергетики може змінити альбедо (характеристику відбивної (розсіювальної) здатності) земної поверхні і привести до зміни клімату (однак при сучасному рівні споживання енергії це вкрай малоймовірно).

Недоліки

  • залежність від погоди і часу доби;
  • як наслідок необхідність акумуляції енергії;
  • висока вартість конструкції;
  • необхідність періодичної очистки дзеркальної поверхні від пилу;
  • нагрівання атмосфери над електростанцією.

Сонячна енергетика: напрямки наукових досліджень

1. Фундаментальні дослідження

Через теоретичні обмеження у перетворенні спектру в корисну енергію (близько 30%) для фотоелементів першого і другого покоління потрібне використання великих площ землі під електростанції. Наприклад, для електростанції потужністю 1 ГВт це може бути декілька десятків квадратних кілометрів, але будівництво сонячних електростанцій такої потужності може призвести до зміни мікроклімату в прилеглій місцевості, тому в основному встановлюються фотоелектричні станції потужністю 1 - 2 МВт недалеко від споживача або навіть індивідуальні та мобільні установки. Фотоелектричні елементи на великих сонячних електростанціях встановлюються на висоті 1,8-2,5 метра, що дозволяє використовувати землі під електростанцією для сільськогосподарських потреб, наприклад, для випасу худоби. Проблема знаходження великих площ землі під сонячними електростанціями вирішується у разі застосування сонячних аеростатних електростанцій, придатних як для наземного, так і для морського та висотного базування.

Потік сонячної енергії, що падає на встановлений під оптимальним кутом фотоелемент, залежить від широти, сезону і клімату і може відрізнятися в два рази для заселеної частини суші (до трьох з урахуванням пустелі Сахара). Атмосферні явища (хмари, туман, пил тощо) не тільки змінюють спектр та інтенсивність падаючого на поверхню Землі сонячного випромінювання, а й змінюють співвідношення між прямим і розсіяним випромінюваннями, що значно впливає на деякі типи сонячних електростанцій, наприклад, з концентраторами або на елементах широкого спектру перетворення.

2. Прикладні дослідження

Фотоелектричні перетворювачі працюють вдень і з меншою ефективністю працюють в ранкових і вечірніх сутінках. При цьому пік електроспоживання припадає саме на вечірні години. Крім того, вироблена ними електроенергія може різко і несподівано коливатися через зміни погоди. Для подолання цих недоліків на сонячних електростанціях використовуються ефективні електричні акумулятори (на сьогоднішній день це не достатньо вирішена проблема), або перетворюють в інші види енергії, наприклад, будують гідроакумулюючі станції, які займають велику територію, або концепцію водневої енергетики, яка недостатньо економічно ефективна. На сьогоднішній день ця проблема просто вирішується створенням єдиних енергетичних систем, які перерозподіляють вироблювану і споживану потужність. Проблема деякої залежності потужності сонячної електростанції від часу доби і погодних умов вирішується також за допомогою сонячних аеростатних електростанцій.

Щодо порівняно високої ціни сонячних фотоелементів. З розвитком технології і зростанням цін на викопні енергоносії цей недолік долається. У 1990-2005 рр.. ціни на фотоелементи знижувалися в середньому на 4% на рік.

Поверхню фотопанелей і дзеркал (для тепломашинних ЕС) потрібно очищати від пилу та інших забруднень. У випадку великих фотоелектричних станцій, при їх площі в кілька квадратних кілометрів це може викликати труднощі, але застосування відполірованого скла на сучасних сонячних батареях вирішує цю проблему.

Ефективність фотоелектричних елементів падає при їх нагріванні (в основному це стосується систем з концентраторами), тому виникає необхідність в установці систем охолодження, зазвичай водяних. Також у фотоелектричних перетворювачах третього і четвертого поколінь використовують для охолодження перетворення теплового випромінювання у випромінювання, яке найбільш узгоджується з поглинаючим матеріалом фотоелектричного елемента (так зване up-conversion), що одночасно підвищує ККД.

Через 30 років експлуатації ефективність фотоелектричних елементів починає знижуватися. Відпрацьовані фотоелементи, хоча й незначна їх частина, в основному спеціального призначення, містять компонент (кадмій), який неприпустимо викидати на смітник. Потрібне додаткове розширення індустрії з їх утилізації.

3. Екологічні проблеми

При виробництві фотоелементів рівень забруднень не перевищує допустимого рівня для підприємств мікроелектронної промисловості. Сучасні фотоелементи мають термін служби 30-50 років. Застосування кадмію, зв'язаного в сполуках, при виробництві деяких типів фотоелементів, з метою підвищення ефективності перетворення, ставить складне питання їх утилізації, яке теж не має поки прийнятного з екологічної точки зору рішення, хоча такі елементи мають незначне поширення і сполукам кадмію при сучасному виробництві вже знайдена гідна заміна.

Останнім часом активно розвивається виробництво тонкоплівкових фотоелементів, у складі яких міститься всього близько 1% кремнію, по відношенню до маси підкладки на яку наносяться тонкі плівки. Через малі витрати матеріалів на поглинаючий шар, тут кремнію, тонкоплівкові кремнієві фотоелементи дешевші у виробництві, але поки мають меншу ефективність і фатальну деградацію характеристик у часі. Крім того, розвивається виробництво тонкоплівкових фотоелементів на інших напівпровідникових матеріалах, зокрема CIS і CIGS, гідних конкурентів кремнію. Так, наприклад, в 2005 році компанія «Shell» ухвалила рішення сконцентруватися на виробництві тонкоплівкових елементів, і продала свій бізнес з виробництва монокристалічних (нетонкоплівкових) кремнієвих фотоелектричних елементів.

Сонячні концентратори викликають великі за площею затінення земель, що призводить до сильних змін ґрунтових умов, рослинності і т. д. Небажаний екологічний вплив в районі розташування станції викликає нагрівання повітря при проходженні через нього сонячного випромінювання, сконцентрованого дзеркальними відбивачами. Це призводить до зміни теплового балансу, вологості, напрямку вітрів; в деяких випадках можливі перегрів і загоряння систем, що використовують концентратори. Застосування низькокиплячих рідин і неминучі їх витоки в сонячних енергетичних системах під час тривалої експлуатації можуть привести до значного забруднення питної води. Особливу небезпеку становлять рідини, що містять хромати і нітрити, які є високотоксичними речовинами.

Типи фотоелектричних елементів

  • монокристалічні кремнієві;
  • полікристалічні кремнієві;
  • тонко плівкові.

Перспективи сонячної енергетики

Згенерована на основі сонячного випромінювання енергія зможе до 2050 року забезпечити 20-25% потреб людства в електриці і скоротить викиди вуглекислоти. Як вважають експерти Міжнародного енергетичного агентства (IEA), сонячна енергетика вже через 40 років при відповідному рівні поширення передових технологій буде виробляти близько 9 тисяч терават-годин – або 20-25% всієї необхідної електрики, і це забезпечить скорочення викидів вуглекислого газу на 6 млрд тонн щорічно.

У 2011 році близько 3% електроенергії Італії було отримано з фотоелектричних установок.

За матеріалами: wikipedia.org.

 

Читайте також:

 

Коментарі:

blog comments powered by Disqus