Солнечная энергия — просто и эффективно

Слияние атомов водорода и рождение атомов гелия, происходящее в недрах звезд из-за невероятно огромного давления, вызванного суперсилами гравитации, сопровождается сверхмощным выделением энергии. Идет термоядерная реакция и на ближайшей к нам звезде по имени Солнце.

Солнечная энергия (точнее — крохотная доля от всей, излученной Солнцем в пространство энергии) достигает Земли и обеспечивает существование жизни на нашей планете в том виде, в каком мы ее знаем.

Энергия солнечного света

Интенсивность излучения Солнца «на входе» в атмосферу Земли составляет 1,367 КВт/м2.

Атмосфера планеты поглощает часть потока солнечной энергии. На разных широтах, в разное время года, в разное время суток, на разной высоте над уровнем моря и при различной облачности мощность солнечного изучения, приходящаяся на один квадратный метр поверхности перпендикулярной лучам составляет ~ от 0 КВт/м2 до 1,0 КВт/м2.

В различных условиях лучам Солнца приходится преодолевать до поверхности Земли через атмосферу разные расстояния! Чем длиннее путь лучей Солнца через атмосферу, тем больше поглощение, тем меньше энергии дойдет до поверхности, до точки А. 1,0 КВт/м2 – это максимум интенсивности в ясную погоду на уровне моря в истинный астрономический полдень на экваторе в дни весеннего (~20 марта) и осеннего (~22 сентября) равноденствий!

Это означает, что никакое устройство, созданное человеком для преобразования солнечной энергии в тепловую или электрическую, имеющее рабочую площадь 1,0 м2 никогда не выдаст мощность более 1,0 КВт!

В средних широтах России солнечная энергия имеет интенсивность потока летом в ясный полдень – до 0,8 КВт/м2, зимой – всего лишь до 0,3 КВт/м2.

По справочным таблицам (смотри ссылки в конце статьи) в среднем за год количество солнечной энергии, падающей на горизонтальную площадку площадью 1м2:

• В Москве ~ 990 КВт*ч
• В Омске ~ 1260 КВт*ч
• В Улан-Удэ ~  1270 КВт*ч

На момент написания статьи, к примеру, в Омске цена 1 КВт*ч электроэнергии составляла 3,32 руб. для населения. Образно выражаясь, можно сказать, что Солнце «высыпает» в год в Омске на каждый квадратный метр 4183,20 руб. (11,46 руб. ежедневно) в переводе на стоимость электроэнергии.

Солнечная электроэнергия

Для преобразования энергии Солнца в электроэнергию на сегодняшний день наиболее эффективными являются кремниевые фотоэлектрические батареи. Но их КПД низок и по факту не превышает 14%.

Таким образом, панель площадью 1,0 м2 способна выдать на широте Москвы максимальную мощность порядка 0,11 КВт. И не верьте недобросовестным продавцам, завышающим показатели мощности!

Низкий КПД по большому счету ни о чем не говорит (ездим же мы на автомобилях, двигатели которых имеют КПД=10%). Ставь панель большей площади – и всё.

Однако высокая стоимость полного комплекта солнечной электростанции (с панелями, аккумуляторами, автоматикой, преобразователями  ~ 1100 $/КВт) продолжает являться в России сдерживающим широкое распространение солнечных панелей фактором.

Конечно, в местах, где другим способом получить электроэнергию невозможно или очень сложно и дорого (космос, кемпинг, дом лесника, не электрифицированный поселок), солнечная электростанция является хорошим решением проблемы.

К 2030 году прогнозируемая мощность всех солнечных фотоэлектрических преобразователей в мире превысит 200 ГВт. При этом стоимость произведенной электрической энергии предполагается 0,10…0,15 $/КВт*ч.

Солнечная тепловая энергия

Очень популярной последние десятилетия стала тема получения тепловой энергии для горячего водоснабжения и отопления помещений от Солнца. Сотни компаний по всему миру предлагают свои разработки солнечных коллекторов, тысячи энтузиастов изготавливают разнообразные варианты устройств в домашних мастерских.

Одними из перспективных на сегодняшний день, возможно, видятся вакуумированные трубчатые коллекторы, у которых КПД достигает 90% (по заявлениям производителей и продавцов).

Холодный воздух вентилятором забирается из помещения и по теплоизолированной трубе поступает в коллектор. Нагретый  в результате теплообмена воздух возвращается по такой же трубе обратно в помещение.

Солнечная энергия по очень простой и эффективной схеме преобразуется в тепловую! Установка не боится морозов, потому что замерзать в ней нечему.

Рассмотрим подробнее модель солнечного коллектора китайской компании ZN-ENERGY (www.pcmworld.com, подключисолнце.рф). Результаты практических испытаний любезно предоставил Алексей Пыкин из города Улан-Удэ.

Алексей установил наклонно с ориентацией на юг два коллектора марки ZN-20D58-1800 на крыше сарайчика, присоединил к ним подводящую и отводящую воздух трубы, включил в схему вентилятор, подключил прибор, записывающий температуры входящего в коллектор воздуха и выходящего и замерил скорость воздушного потока на выходе из отводящей трубы в помещение.

Габаритно-массовые параметры одного коллектора:

Высота – 2030 мм

Ширина – 1550 мм

Толщина – 180 мм

Масса – 95 кг.

Оба коллектора собраны из 20 стеклянных вакуумных трубок длиной 1800 мм.

Между наружной трубкой Ø57 мм и первой внутренней трубкой Ø47 мм откачан воздух и создан вакуум для обеспечения высокого уровня теплоизоляции.

Поверхность трубки Ø47 мм имеет черное покрытие с очень большим коэффициентом поглощения (>0,9) солнечной энергии. Именно эта поверхность, разогреваясь под лучами Солнца, отдает всю полученную энергию внутрь трубки Ø47 мм, проходящему через нее воздуху и аккумулятору тепла – РСМ-цилиндру! Передаче тепла наружу в окружающее пространство препятствует вакуум.

РСМ-цилиндр – это еще одна внутренняя трубка с веществом, накапливающим и затем отдающим тепло за счет фазового перехода из одного агрегатного состояния в другое. По-простому — это «высокоэффективные камни в печке в бане».

Теоретическая мощность установки

• 1. Эффективная площадь поверхности двух коллекторов марки ZN-20D58-1800

A=0,047*1,8*20*2=3,384 м2

Те, кто считают площадь иначе, как поверхность полуцилиндра, или лукавят, или заблуждаются. В подтверждение своей правоты кроме здравого смысла в понимании процесса могу добавить, что известная компания Viessmann (Германия) площадь своих коллекторов на трубках считает по вышеприведенной формуле.

• 2. Максимальный заявляемый разработчиками коэффициент полезного действия коллекторов

КПД=0,9

• 3. Максимальная интенсивность потока в июне-июле в ясный полдень на широте г. Улан-Удэ

Ie=0,8 КВт/м2

• 4. Максимальная мощность, которую могут развить два коллектора, установленные плоскостями перпендикулярно лучам Солнца

NΣтеор= Ie*A*КПД=0,8*3,384*0,9=2,436 КВт

• 5. Максимальная мощность, которую может развить одна трубка

N1теор= NΣтеор /40=2,436/40=0,061 КВт

Практическая мощность установки

Выполним расчет в Excel мощности установки по исходным данным, присланным Алексеем.

О цветах ячеек листа Excel, применяемых в статьях этого блога, можно посмотреть на странице «О блоге».

Расчет в Excel выполняется по следующим формулам:

• 7. V=π*D2/4*vср
• 8. G=V*ρ
• 9. N=G*c*(t2-t1)
• 11. Q=N*τ
• 12. mд=Q/qд

Выводы

Установка Алексея в июньский солнечный полдень забирает из помещения воздух температурой 25 °С и, прогоняя его через два коллектора, выдает обратно в помещение нагретым до 138 °С!

Рассчитанная через количество нагретого воздуха мощность, достигаемая в этот момент времени – 2,307 КВт. Это 95% от рассчитанной теоретической мощности.

В нижней части таблицы можно определить количество тепловой энергии, которое выработает установка за заданное время, работая с вычисленной мощностью.

В самом низу таблицы я привел  для справки расчет массы дров, которую необходимо сжечь для получения такого же количества энергии.

Для расчета суточного производства тепловой энергии следует проинтегрировать функцию мощности по времени.

Q=∫N(τ) dτ

О том, как это делать рассказано в предыдущей статье на блоге.

Итоги

В этой небольшой обзорной статье не ставилась цель подробно расписать все возможные варианты преобразования солнечной энергии в другие виды. Тем более не хотелось углубляться в разнообразие теплофизических аспектов и конструктивных решений конкретных моделей солнечных панелей и коллекторов. Совсем не был затронут вопрос углов установки панелей и коллекторов…

Главное, что хотелось донести:

• 1. Более 1,0 КВт мощности с панели или коллектора с рабочей площадью 1,0 м2 не «снять»!
• 2. Более 0,14 КВт современная фотоэлектрическая батарея площадью 1,0 м2 пока не вырабатывает!
• 3. Более 0,9 КВт солнечный коллектор с рабочей площадью 1,0 м2 выдать сегодня не может и не сможет, наверное, никогда, если на Солнце что-нибудь не случиться! А если случится, то нам уже эта энергия не понадобится…
• 4. РСМ-цилиндры накапливают тепло, которое не смог забрать продуваемый воздух и отдают его воздуху в моменты закрытия Солнца облаками и перед закатом. Увеличить мощность РСМ-цилиндры не могут!!! Они, как ресиверы в системах сжатого воздуха, сглаживают колебания выходной мощности и не более того.
• 5. Если (с поправкой на оптимальный угол установки коллекторов) за год в г. Омске поступает от Солнца ~1500 КВт*ч/м2, то установка из двух коллекторов, рассмотренная в примере, сможет выдать тепловой энергии около 4 300 КВт*ч.

В переводе на стоимость электроэнергии мы получим в год тепловой энергии на 14276 руб. Комплект коллекторов стоит около 120000 руб. Срок окупаемости более 8 лет…

В переводе на стоимость дров (1,50 руб./кг или 1000 руб./м3) мы получим в год тепловой энергии на ~3000 руб. (если принять КПД печи равным 50%). Срок окупаемости – 40 лет!

И это еще без учета затрат электроэнергии на вентилятор!

Не знаю, сколько прослужат коллектора, но жизненный опыт подсказывает, что град размером с куриное яйцо бывает у нас каждые 3…5 лет!

Однако, стоит отметить, что солнечная энергия – экологически чистый вид энергии. Расширяя ее применение, мы сохраняем нашу среду обитания. И стоит помнить, что расходуя всего 1 КВт*ч энергии, можно испечь 100 булок хлеба или выткать 10 м2 ткани!

Перспективы солнечной энергетики

О солнечной энергетике и перспективах ее развития ведутся споры и дискуссии уже много лет. Большинство считают солнечную энергетику – энергетикой будущего, надеждой всего человечества. Серьезные инвестиции вкладывает в строительство солнечных электростанций большое количество компаний.

Солнечную энергетику стремятся развивать во многих странах мирах, считая ее главной альтернативой традиционным энергоносителям. Германия, являясь далеко не солнечной страной, стала мировым лидеров в этой сфере. Совокупная мощность СЭС Германии растет год от года. Серьезно занимаются разработками в области энергии солнца и в Китае.

Согласно оптимистичному прогнозу International Energy Agency, солнечные электростанции к 2050 году смогут производить до 20-25% мировой электроэнергии.

Альтернативный взгляд на перспективы солнечных электростанций базируется на том, что затраты, которые требуются для изготовления солнечных батарей и аккумуляторных систем, в разы превышают прибыль от производимой солнечными электростанциями электроэнергии.

Противники этой позиции уверяют, что все как раз наоборот. Современные солнечные батареи способны работать без новых капиталовложений десятки и даже сотни лет, произведенная ими суммарная энергия равна бесконечности.

Вот почему в долгосрочной перспективе электроэнергия, полученная с использованием энергии солнца, станет не просто рентабельной, а сверхприбыльной.

Где же истина? Попробуем разобраться в этом вместе с вами, уважаемые читатели. Мы рассмотрим современные подходы в сфере солнечной энергетики и некоторые гениальнейшие идеи, которые на сегодняшний день уже реализованы. Мы попробуем установить КПД солнечных батарей, функционирующих в настоящее время, понять, почему сегодня этот КПД является довольно низким.

Эффективность солнечных батарей в России

Согласно современным исследованиям, солнечная энергия составляет порядка 1367 Ватт на 1 кв.м (солнечная постоянная). На экваторе через атмосферу до земли доходит лишь 1020 Ватт. На территории России с помощью солнечных электростанций (при условии, что КПД солнечных элементов составляет сегодня 16%) в среднем можно получить 163,2 Ватта на квадратный метр.

В этих таблицах приводится годовая инсоляция для городов России с учетом погодных условий, длительности дня и ночи, а также, типа установки солнечных батарей (КПД солнечной батареи не учитывается).

Если в Москве установить квадратный километр солнечных батарей под углом в 40 градусов (что для Москвы оптимально), то годовой объем выработанной электроэнергии составит 1173*0.16 = 187.6 ГВт*ч. При цене на электроэнергию в 3 рубля за кВт/ч, условная стоимость сгенерированной электроэнергии – 561 млн. рублей.

Наиболее распространенные способы генерации электроэнергии с помощью солнца:

Громадные зеркала таких солнечных электростанций, поворачиваясь, ловят солнце и отражают его на коллектор. Принцип функционирования таких электрогенерирующих станций основан на преобразовании тепловой энергии солнца в механическую электроэнергию термодинамической машины либо с помощью газопоршневого двигателя Стирлинга, либо с помощью нагрева воды и т.п.

Что такое солнечная энергия?

Что принято называть солнечной энергией? Это энергия, производимая солнцем в виде света и тепла. Кроме того, существуют вторичные виды солнечной энергии, такие как энергия ветра и волн. Все названые виды энергии составляют большую часть возобновляемой энергии Земли.

Земля получает 174 петаватт (PW) солнечной радиации в верхних слоях атмосферы. 30% отражается обратно в космос, а остальная часть поглощается облаками, океанами и сушей. Поверхность земли, океаны и атмосфера поглощают солнечное излучение, что повышает их температуру.

Теплый воздух, содержащий воду из океанов, поднимается вверх, вызывая конвекцию. Когда воздух достигает большой высоты, где температура низкая, водяной пар конденсируется в облака и вызывает дождь. Скрытая теплота конденсации воды увеличивает конвекцию, производя ветер.

Энергия поглощается океанами и сушей, сохраняя поверхность при средней температуре около 14 C.

Зеленые растения преобразовывают солнечную энергию в химическую энергию посредством фотосинтеза. Производство наших продовольственных товаров полностью зависит от солнечной энергии. После своей жизни растения умирают и распадаются в Земле, так солнечная энергия обеспечивает биомассу, которая создала ископаемые виды топлива, которые мы знаем.

Способы использования солнечной энергии

Люди используют солнечную энергию в самых разных формах: для отопления и охлаждения помещений, производства питьевой воды дистилляции, дезинфекции, освещения, производства горячей воды и приготовления пищи. Способы использования солнечной энергии ограничены только человеческой изобретательностью.

Солнечные технологии бывают пассивными или активными, в зависимости от способа захвата энергии, которая затем преобразуется, и распространятся.

Активные солнечные технологии

К активным солнечным технологиям относят фотоэлектрические панели и солнечные тепловые коллекторы.

Пассивные солнечные технологии

Пассивные методы включают ориентацию здание к Солнцу, чтобы получать максимальное количество дневного света и тепла, а также выбор материалов с нужными тепловыми свойствами.

Наша нынешняя зависимость от ископаемого топлива медленно заменяется альтернативными источниками энергии.

Некоторые виды топлива, в конечном итоге могут стать бесполезным, но солнечная энергия никогда не устареет, не будет контролироваться иностранными державами, и не закончится.

Солнце использует собственные запасы водорода, оно будет производить полезную энергию, пока не взорвется. Задачей, стоящей перед людьми, является захват этой энергии, пока что самым простым способом это сделать, остается использование ископаемого топлива.

Гелиоэнергетика это новый шаг в будущее!

Одним из самых перспективных направлений развития альтернативной энергетики считается гелиоэнергетика. Гелиоэнергетика это солнечная энергетика, основанная на принципах аккумуляции солнечной энергии с её дальнейшим преобразованием в необходимое для человека электричество и тепло.

Предпосылки для возникновения и разработки

Следует понимать, что солнечную энергию человечество использует с древнейших времён.

Освещение и отопление жилья, подогрев воды для хозяйственных и бытовых нужд, вяление фруктов, сушка одежды, выращивание тепличных культур – всё это напрямую связано с Солнцем.

Люди всегда применяли в быту тепловую энергию этого светила,  но особо не задумываясь над повышением эффективности такого использования. И только в 90-х годах прошлого столетия были начаты полномасштабные научные исследования в этой сфере.

В наши дни использование солнечного тепла и света – дело престижа любого государства, стремящегося к экономии и разумному потреблению природных энергетических запасов.

Хотя предпосылки для такого толчка в развитии альтернативной энергетики достаточно прозаичны и обусловлены вполне материальными причинами – ограниченность природных ископаемых и практика разумного использования солнечной энергии по-прежнему имеет благородную цель.

1. Это своеобразный маркер на принадлежность к цивилизованному и экономически сбалансированному миру будущего, в котором забота о сохранности природы для грядущих поколений всегда стоит на первом месте.
2. Основное достоинство солнечного тепла и света заключается в его доступности.
3. В любой точке земного шара можно получить эту бесплатную, экологически чистую и возобновляемую энергию!
4. Плотность солнечных лучей в разных климатических зонах и регионах отличается не более чем в два раза.

Поэтому такое альтернативное направление энергетики набирает популярность не только в масштабах государств, но и среди населения. Общая площадь солнечных установок, размещённых в разных странах, сейчас занимает более 120 миллионов квадратных метров.

И сфера применения солнечной энергии будет расширяться с каждым годом.

Описание

Основная задача энергетической отрасли, основанной на использовании энергии Солнца, состоит в обеспечении современной экономики достаточным энергетическим запасом, позволяющим успешно развиваться предприятиям и целым отраслям. Сегодня мировое производство энергии составляет до 10 триллионов ватт (сюда входят различные, в том числе, традиционные источники). А развитие гелиоэнергетики приведёт к увеличению этого показателя минимум до 100 триллионов.

В грандиозных планах учёных находится создание крупных космических станций, преобразующих энергию солнца в электричество.

Уже сегодня относительно небольшие солнечные батареи (ФЭП или фотоэлектрические преобразователи) успешно применяются для подачи электричества в различные космические аппараты.

В космическом пространстве батареям легче уловить солнечную радиацию – выработка электричества происходит в непрерывном режиме.

По характеру используемого оборудования и на основании самих принципов получения энергии гелиоэнергетику можно разделить на два основных вида:

• Солнечные коллекторы для нагрева воды – самое распространённое оборудование в мире, позволяющее с помощью солнечного тепла прогреть воду (теплоноситель). Успешно применяются как в быту, так и в промышленности. Такое устройство легко справляется с нагреванием воды для бытовых нужд или обеспечивает качественное альтернативное отопление в холодное время года.
• Солнечные батареи(Фотоэлектрические преобразователи, они же ФЭП) – оборудование для получения электроэнергии благодаря поглощению и преобразованию солнечной радиации. Первоначально эта технология использовалась в космической отрасли.

Физическое получение энергии подразумевает использование специальных инженерных конструкций.

Зеркала, а, точнее, целые системы зеркал применяются на электростанциях, воспроизводящих электричество из солнечной энергии (СЭС). По подсчётам каждый ватт такой энергии примерно в пять-семь раз дешевле от полученной в космосе (оборудование стоит дешевле, монтаж происходит быстрее и проще).

Развитие гелиоэнергетики напрямую связано со стоимостью оборудования для этого направления.

Высокая цена – основной сдерживающий фактор развития этой отрасли. Например, установка гелиомодулей для электростанции (их приобретение и монтаж) в среднем обойдётся государству в 1,9 миллиона евро на каждый произведенный мегаватт электроэнергии. В результате получение электричества из солнечной энергии будет самым затратным среди всех альтернативных источников.

Преимущества и недостатки гелиоэнергетики

У гелиоэнергии существует три основных преимущества, открывающих большие перспективы для альтернативной отрасли энергетики в будущем. Это:

• возобновляемость ресурса – получать энергию можно до тех пор, пока светит Солнце;
• экологическая чистота – выработка энергии не сопровождается выбросом в атмосферу или в грунт вредных веществ;
• доступность в любой точке земного шара.

Есть и очевидные недостатки:

• выработка энергии напрямую связана с атмосферой, временем суток и сезоном (наблюдается уменьшение солнечной радиации в
• дождливые дни, зимой, ночью, что требует дополнительной установки аккумуляторов);
• высокая стоимость оборудования (но прогнозируется снижение цен в ближайшие годы);
• сложное техническое обслуживание станций;
• вероятность изменения отражающей поверхности планеты при использовании гелиоэнергии в индустриальных масштабах (теория альбедо);
• сильное нагревание атмосферы над территорией станции, производящей энергию.

Перспективы развития

В ближайшем будущем современный мир ожидает настоящая энергетическая революция.

Стоимость солнечных батарей на мировом рынке постепенно снижается, что обусловлено внедрением новых технологий и большим спросом на продукцию такого рода – производители получают прекрасную возможность существенно снизить себестоимость батарей, которой они обязательно воспользуются. Например, в Германии уже сейчас стоимость одного гелиомодуля снизилась до 1 евро на ватт. А к 2020 году планируется закрыть все атомные электростанции в этой стране.

И многие другие передовые государства постепенно отказываются от традиционных атомных электростанций в пользу безопасных солнечных станций.

К таким революционным изменениям в энергетике активно стремится Китай, США, Италия, Франция, Япония. В инновации вкладываются огромные суммы.

Уже упомянутая выше Германия только за один год в свои «солнечные проекты» инвестирует до 1,848 триллиона долларов.

Также планируется создание единой мировой энергетической системы, базирующейся на строительстве экваториальных станций, способных всегда находиться на дневной стороне и обеспечивать стабильное производство электричества.

Себестоимость электроэнергии постепенно снизится до 0,04 евро на киловатт в час. Это должно произойти примерно к 2020-2030 году. Но уже в ближайшие годы цена гелиоэнергии сравняется по цене с традиционными энергетическими источниками и будет снижаться дальше.

Следует отметить, что такие оптимистичные прогнозы основаны на анализе уже существующих и активно использующихся технологий. Но технический прогресс никогда не стоит на месте. Поэтому, вполне возможно, что новые открытия в технической сфере приведут к настоящему прорыву в гелиоэнергетике и появлению нестандартных, весьма эффективных и инновационных решений.

Солнечная энергия как альтернативный источник энергии

Имея свободную минутку, вы берете свой телефон или же садитесь за компьютер, чтобы посмотреть новое видео, к примеру, на канале «riddle», популярный видеоролик которого стал основой этой публикации.

Это возможно благодаря тому, что несколькими часами ранее вы зарядили свой телефон или же подключили компьютер к сети.

В любом случае ключевым моментом возможности просмотра этого видеоролика является наличие электричества.

 

Есть ли альтернатива у тепловых электростанций?

Впервые термин электричество был введен еще в далеком 1600 году английским физиком Вильямом Гилбертом, когда до появления первой лампочки оставалось еще более 200 лет.

Сегодня же электроэнергия — это неотъемлемая составляющая жизни человека, для обеспечения работы всех электроприборов на данный момент работают сотни тысяч электростанций.

Но только 17 процентов из них можно считать экологически безопасными, и львиная доля всей электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях, которые наносят самый большой урон окружающей среде в сравнении с другими.

Ежегодно ТЭС выбрасывают в атмосферу огромнейшее количество отходов. При сжигании ископаемого топлива образуются продукты сгорания содержащие оксид азота, серный и сернистый ангидрид, частички несгоревшего пылевидного топлива и летучую золу.

Но самое главное, что все тепловые электростанции выбрасывают колоссальное количество углекислого газа, который в свою очередь стремительно приближает глобальное потепление на планете.

Такая популярность столь вредных электростанций объясняется тем, что их возможно построить за относительно небольшие сроки а также из-за их стабильной работы. Плюс ко всему они требуют меньше затрат на собственное содержание.

Так неужели нам в один не прекрасный момент придется выбирать жить со светом лампочки или с чистым воздухом? Чтобы подобного вопроса не возникало в ближайшем будущем, прямо сейчас идет разработка и частичная реализация проектов по созданию так называемых чистых источников энергии.

В первую очередь взгляд специалистов области энергетики пал на возможность использовать энергию ветра и солнечных лучей.

Казалось бы, это отличная идея, ведь подобная энергия полностью возобновляема и безвредна. Но проблема состоит в том, что эти источники будут нестабильными.

Ведь такие вещи, как облачность и штиль не отменял никто. Поэтому ставить ветряки солнечные батареи повсеместно крайне нерационально.

Но у солнца есть одно существенное преимущество. На земле существуют места, где количество солнечных дней превышает 98 процентов, и это, как вы уже могли догадаться, пустыни. Что, если превратить их в огромные солнечные электростанции? Насколько существенно это сэкономит ресурсы земли?

Солнечные электростанции в пустынях — рационально или бесполезно?

На нашей планете насчитывается примерно 50 пустынь, из них 23 занимают площадь свыше 50 тысяч квадратных километров, то есть больше, чем занимает, скажем, Голландия или Бельгия. Эти огромные песчаные просторы практически непригодны для жизни большинства организмов в связи с экстремальными условиями, которые не предоставляют.

Так, в пустыне Руб-Эль-Хали, которая занимает треть Аравийского полуострова, температура воздуха может подниматься до 55 градусов по шкале Цельсия, а количество ежегодных осадков едва доходит до трех сантиметров. Даже самые отчаянные попытки экстремалов преодолеть эту местность обвенчались неудачей. Но если вы думаете, что это ад, то спешим вас огорчить.

Представляем вашему вниманию Долину смерти, которая по праву получила свое название, ведь она является самым сухим и жарким регионом Северной Америки. Температура здесь часто доходит до отметки 56 градусов, облака на небе замечают здесь крайне редко, не говоря уже об осадках, которых на этой раскаленной сковороде не бывает столетиями. Но и это еще не все.

По праву называться самой адской пустыней может пустыня Деште Лут — воистину горячее местечко, находящееся на территории Ирана. Из-за обилия солнечной активности в 2005 году она смогла набрать температуру в просто-таки невообразимые 70 градусов по Цельсию. Вот он — кусочек Марса на Земле.

На первый взгляд такая местность идеально подходит для установки солнечных панелей, чтобы начать сбор неограниченного количества энергии. Но все же есть одно но. Труднодоступность этих пустынь делает подобную процедуру сверх дорогостоящей.

Также энергию, получаемую на такой закрытой территории, тяжелее передавать в другие города и страны. Именно поэтому для превращения пустыни в экологическую электростанцию выбрали менее горячую, но не менее солнечную и большую пустыню Сахару.

Пустыня Сахара — самое подходящее место для солнечных панелей

Сахара занимает западную и северную часть Африки. В целом ее площадь составляет девять с половиной миллионов квадратных километров, что сопоставимо с размерами США.

Эта территория бесконечных песчаных равнин и дюн, которые иногда вырастают высоту до 180 метров, а за год в пустыне может выпасть не более 20 миллиметров осадков.

Но самое страшное, что с каждым годом этот песчаный монстр становится все больше, и эта местность смогла привлечь людей только в качестве плацдарма для решения вопроса об экологическом источнике энергии.

Проделав простой расчет, исследователи выяснили, что за шесть часов мировые пустыни получают больше солнечной энергии, чем весь человеческий род потребляет за год. А энергетические потребности мира можно удовлетворить, покрыв всего полтора процента сахар и солнечными батареями.

В связи с этим открытием у ученых созрел план, который заключается в том, чтобы разместить солнечные панели в Сахаре, которые будут обеспечивать большую часть мощностей на ближнем востоке и в Северной Африке, а также обеспечат экспорт энергии, которая удовлетворит 15 процентов потребности в электроэнергии Европы.

Между тем европейцы, импортируя энергию пустыни, могли бы сэкономить до 50 процентов на счетах на электроэнергию.

Проблемы, препятствующие получению энергии Солнца в Сахаре

Первой проблемой на пути этого проекта, стала невозможность передавать электроэнергию в страны Европы без потерь.

Ведь для эффективности такого энергетического импорта из Сахары в Европу нужно передавать 30 гигаватт энергии на расстояние свыше 3 тысяч километров.

И это при том, что самая большая электролиния на сегодня rio madeira, находящаяся в Бразилии, может передавать всего лишь 6 гигаватт на 2 тысячи 400 километров.

Казалось бы, уже здесь план заходит в тупик. Но в связи с развитием технологий по прогнозам специалистов данной отрасли, уже к 2030 году линия электропередач подобных мощностей имела бы место быть. А к тому времени как раз есть возможность подготовить солнечные панели и найти идеальное для их расположения место. Но как бы не так!

Второй проблемой стал человеческий фактор, а именно жадность и жажда наживы, несмотря на возможные жертвы. Страны, которые многие годы обогащаются за счет продажи нефти и газа, не видят выгоды в создании солнечных электростанций.

Ведь если план будет успешным, то их экономика, которая поддерживается продажами ископаемых источников энергии, потерпит колоссальный удар.

Возможно, именно под влиянием нефтяных государств от проекта ушло множество инвесторов, вклады которых в случае реализации задуманного отбились бы всего за 1 год.

Перспективы альтернативной солнечной энергетики

Несмотря на все трудности, проект продолжает существовать и даже развиваться. Так благодаря людям что поддерживают его, сейчас идет строительство солнечной электростанции в Марокко, которое по завершении должно обеспечить всю страну исключительно чистой энергией.

Возможно, уже в ближайшем будущем мы будем говорить о солнечном свете, как об источнике энергии также обыденно, как и про атомные или гидроэлектростанции. Ведь они в самом начале своего существования тоже не казались сверх перспективными.

В любом случае солнечная энергия, которую можно было бы добывать в мировых пустынях, в частности, в сахаре, является одним из немногих возможных и эффективных способов задействовать возобновляемые источники энергии для обеспечения потребности людей в больших масштабах.

И даже если будут изобретены способы очищения воздуха и воды от нечистот, которые предоставляют тепловые электростанции, ресурсы, на которых они работают имеют свойство заканчиваться.

С каждым годом мы все больше слышим информации о том, как быстро исчерпываются нефть и газ и как скоро их количество приблизится к 0. Поэтому уже сейчас необходимо учиться эффективно использовать то, что дарит нам солнце. В противном случае мы окажемся ни с чем.

Источник энергии солнца

Солнечная энергия дает жизнь всему живому на Земле. Под ее воздействием испаряется вода с морей и океанов, превращаясь в водные капли, образуя туманы и облака. В результате, эта влага вновь выпадает на Землю, создавая постоянный круговорот.

Поэтому, мы постоянно наблюдает снег, дождь, иней или росу. Создаваемая солнцем огромная система отопления, позволяет наиболее оптимально распределять тепло по поверхности Земли.

Чтобы правильно понимать и использовать эти процессы, необходимо представлять себе источник энергии солнца и то, от чего зависит его влияние на нашу планету.

Виды солнечной энергии

Основным видом энергии, выделяемой Солнцем, по праву считается лучистая энергия, оказывающая прямое влияние на все важнейшие процессы, происходящие на Земле. Если сравнивать с ней другие земные энергетические источники, то их запасы бесконечно малы и не позволяют решить всех проблем.

Из всех звезд, Солнце расположено к Земле ближе всего. По своей структуре оно является газовым шаром, многократно превышающим диаметр и объем нашей планеты. Поскольку размеры газового шара достаточно условны, то его границами считается видимый с Земли солнечный диск.

Источник и физические свойства солнечной энергии

Все процессы, происходящие на Солнце, можно наблюдать лишь на его поверхности. Однако, основные реакции протекают в его внутренней части. По сути, это гигантская атомная станция с давлением примерно 100 млрд. атмосфер.

Здесь, в условиях сложных ядерных реакций, происходит превращение водорода в гелий. Именно эти реакции образуют основной источник энергии солнца. Внутренняя температура составляет, в среднем, приблизительно 16 млн. градусов.

Газ, бушующий внутри Солнца, имеет не только сверхвысокую температуру, но и является чрезвычайно тяжелым, обладающим плотностью, многократно превышающей среднюю солнечную плотность.

Одновременно, происходит возникновение рентгеновских лучей, которые, по мере приближения к Земле, увеличивают длину своих волн и уменьшают частоту колебаний.

Таким образом, они постепенно становятся видимым и ультрафиолетовым светом.

При отдалении от центра, характер лучистой энергии изменяется, оказывая влияние и на температуру. Происходит ее постепенное снижение сначала до 150 тыс. градусов. С Земли хорошо видна только внешняя солнечная оболочка, так называемая фотосфера. Ее толщина составляет примерно 300 км, а температура верхнего слоя снижается до 5700 градусов.

Над фотосферой расположена солнечная атмосфера, состоящая из двух частей. Нижний слой носит название хромосферы, а верхний слой, не имеющий границ, представляет собой солнечную корону. Здесь газы разогреваются до нескольких миллионов градусов под действием ударных волн чудовищной силы.

Солнечная энергия – как она используется в России

Возобновляемая энергетика состоит из нескольких направлений, но наиболее перспективной считается именно солнечная генерация. В настоящий момент она развивается во многих странах, среди которых наибольшей активностью отличаются страны Азии.

Касательно России, ранее считалось, что она располагает достаточным количеством топлива, а также обычных станций, производящих дешевое электричество. А потому и возобновляемые источники энергии ей, в общем-то, не очень нужны, по крайней мере, пока.

Находились и те, кто утверждал, что это северная страна, солнечных дней в ней мало, а значит, и в установке солнечных батарей смысла нет.

Но теперь специалисты все более склоняются к тому, что солнечная энергетика здесь может развиваться и приносить значительную пользу.

Так, некоторые российские регионы «облучаются» Солнцем даже больше, чем европейские страны, а европейцами, как известно, солнечная энергия используется весьма активно. И при этом РФ на самом деле очень нуждается в том, чтобы распределенная генерация, не вредящая окружающей среде и отличающаяся экономической выгодностью, активно развивалась.

Почему так? Потому, что большая часть ее территорий не охватывается единой энергосистемой. А электричество, получаемое жителями данных территорий, стоит очень дорого. Чтобы не быть голословным: в Якутии этот показатель составляет чуть ли не 100 рублей за один киловатт в час, при том что здесь очень много солнечных дней в году.

Электричество генерируется старыми дизель-генераторами, которые часто ломаются и очень вредны для окружающей среды, а государству необходимо выделять астрономические суммы на дотации местным жителями.

Таким образом, для регионов, находящихся вне централизованного электроснабжения, и для государства в целом грамотное использование солнечной энергии может стать отличными выходом из ситуации.

Также в настоящее время все еще есть энергодефицитные регионы, недостаток энергии которым восполняют энергопрофицитные. Но доставлять электричество на большое расстояние – не выгодно, при этом неизбежны значительные его потери.

Кроме того, сейчас все более популярными становятся электрокары, а потому сети будут претерпевать все большие нагрузки. Тогда как солнечные электростанции смогли бы здорово поддержать регионы, в которых недостает электроэнергии.

Развитие солнечной энергетики в Алтае

Кош-Агачский район, находящийся на территории Республики Алтай, не так давно (в 2014 г.) обзавелся установкой, вырабатывающей электричество при «содействии» Солнца, мощность которой составляет пять мегаватт.

В то время данная электростанция являлась наиболее крупным таким объектом на территории РФ. Она может снабжать электричеством около 1000 домов, а также несколько муниципальных районов, находящихся по соседству.

Станция была возведена стараниями «Авелар Солар Технолоджи» (дочка фирмы «Хевел», созданной организациями «Роснано» и «Ренова»). Необходимым оборудованием компанию снабдила Schneider Electric – так, среди прочего ею были предоставлены АСУ ТП, СЭС-инверторы (благодаря последним постоянный ток, который производят солнечные модули, превращается в переменный).

Солнечная энергия в Оренбургской области

Schneider Electric поспособствовала возведению еще одной электростанции, работающей за счет энергии Солнца.

• Мощность ее аналогична той, которая была установлена в Алтае, и равняется пяти мегаваттам, а находится она в Оренбургской области, в населенном пункте с названием Переволоцкий. К ее строительству «приложила руку» все та же фирма «Хевел».
• На реализацию проекта было потрачено свыше пятисот миллионов рублей, окупиться которые, согласно подсчетам, должны за полтора десятка лет.

Данная электростанция может поставлять электричество примерно 1000 частным домохозяйствам (а то и большему их количеству). Она может похвастаться высоким уровнем производительности, а также тем, что благодаря ей значительно уменьшится количество углекислоты, выбрасываемой в атмосферу.

Как далее будет развиваться солнечная энергетика

Schneider Electric очень надеется на то, что ее сотрудничество с «Хевел», а также ее структурами, продолжится. Проекты по возведению солнечных электростанций, которые уже были воплощены в жизнь, являются только началом – эти первые шаги приведут в итоге к созданию целой «солнечноэнергетической» сферы.

Технологии будут постоянно совершенствоваться, число электростанций – расти, а эффективность и себестоимость последних, соответственно – уменьшаться. Тем более, что все вышеупомянутые фирмы не намерены останавливаться на достигнутом.

Например, в планах «Авелар Солар Технолоджи» — в скором времени возвести ряд станций для «добычи» солнечной энергии, общая мощность которых составит 254 мегаватта.

Что такое солнечная энергия, и где она используется?

Солнечная энергия, как альтернативный источник энергии, используется уже тысячи лет. Единственное, что меняется — технологии и эффективность применяемых устройств.

Энергия солнца относится к возобновляемым источникам, что означает ее способность восстанавливаться естественным путем, без человеческого участия.

К преимуществам стоит отнести экологическую чистоту, неограниченные возможности, безопасность и уникальную эффективность использования.

Доказано, что 1м2 «огненного диска» выделяет почти 63 кВт энергии, что в эквиваленте соответствует мощности миллиона электрических лампочек. В целом Солнце обеспечивает Землю 80 000 млрд. кВ, а это в несколько раз превышает мощность всех существующих на планете электростанций. Вот почему применение солнечной энергии на практике является одной из главных задач для современного общества.

Особенности преобразования

Недоработкой современной науки является неспособность прямого потребления энергии солнца. По этой причине разработаны специальные приборы, обеспечивающие преобразование солнечной энергии в электрическую или тепловую. В первом упоминании речь идет о батареях, а во втором — о коллекторах.

Сегодня разработано несколько вариантов преобразования:

• Термовоздушная энергетика. В ее основе лежит использование энергии солнца для получения потока воздуха, направляемого в турбогенератор. Популярность получают электростанции аэростатного типа, в которых генерируется водяной пар, благодаря нагреву аэростатной поверхности со специальным покрытием. Преимущество методики заключается в способности накапливать необходимый объем пара для обеспечения работы системы даже в темное время суток, при отсутствии солнечного света.
• Фотовольтаика. Особенность методики заключается в применении специальных панелей, имеющих фотоэлектрическую базу. Представители — солнечные батареи. В основе изделий лежит кремний, а толщина рабочей поверхности равна нескольким десятым миллиметра. Размещать конструкции можно в любом месте. Главным условием является максимальное поступление лучей.

Кроме фотопластин, для преобразования солнечной энергии могут использоваться тонкопленочные панели, обладающие меньшей толщиной. Их главным недостатком является небольшая эффективность.

• Гелиотремальная энергетика — направление, суть которого заключается в поглощении света поверхностью с последующим фокусированием тепла для нагрева. В бытовой сфере этот вид превращения солнечной энергии используется для прогрева. В промышленности эта методика применяется для получения электричества с помощью тепловых машин.

Как может использоваться солнечная энергия?

Использование солнечной энергии возможно с применением двух типов систем — пассивных и активных. Рассмотрим их подробнее.

Пассивные — системы, в которых не предусмотрено каких-либо сложных преобразований. Одним из примеров является металлическая емкость, которая окрашена в черный цвет и наполненная водой.

Лучи солнца попадают на поверхность, нагревают металл, а вместе с ним и жидкость внутри. Существуют и более продвинутые способы пассивного использования энергии, предназначенные для проектирования сооружений, выбора стройматериалов, учета климата и решения других задач.

Чаще всего пассивные системы применяются для охлаждения, обогрева или освещения зданий.

Активные — устройства, в которых для превращения солнечной энергии применяются специальные коллекторы.

Особенность последних заключается в поглощении лучей солнца и их последующее преобразование в тепло, которое с помощью теплоносителя обеспечивает обогрев зданий или воды.

Сегодня солнечные коллекторы применяются во многих сферах деятельности — сельском хозяйстве, бытовом и прочих секторах, где требуется тепло.

​

Принцип действия солнечного коллектора легко проверить на практике — достаточно положить на подоконник какой-либо предмет и убедиться, что на него попадают лучи солнца. Изделие нагревается даже при минусовой температуре на улице. В этом и заключается особенность использования солнечной энергии с помощью коллектора.

В основе устройства лежит теплоизолированная пластина, которая изготавливается с использованием теплопроводящего материала. Сверху она покрывается темной краской. Лучи солнца проходят через промежуточный элемент, нагревают пластинку, а после накопленная тепловая энергия применяется для нагрева здания. Направление теплого потока возможно с помощью вентилятора или естественным путем.

Недостаток системы заключается в необходимости дополнительных затрат на покупку и установку вентилятора. Кроме того, солнечные коллекторы эффективны только световой день, поэтому полностью заменить основной источник обогрева не получится. Для повышения КПД устройства необходимо устанавливать коллектор в главный источник вентиляции или тепла.

Такие коллекторы бывают двух типов:

1. Плоскими. Такие устройства состоят из поглотителей солнечной энергии, покрытия (используется стекло с низким содержанием металлических частиц), термоизолирующего слоя и трубопровода. Коллектор улавливает солнечные лучи и выдает тепловую энергию. Место для монтажа — крыша. При этом батарея может быть встроена в поверхность или иметь вид отдельного элемента.
2. Вакуумными. Особенность солнечных коллекторов заключается в универсальности и возможности применения в течение всего года. В основе лежат вакуумные трубки, состоящие из боросиликатного стекла. На внутренней части стенки нанесено специальное покрытие, улучшающее восприятие солнечного света. Целью такой конструкции является минимальное отражение лучей. Для большей эффективности в промежутках между трубками присутствует вакуум, который поддерживается газораспределителем бариевого типа. Преимущество вакуумных коллекторов в том, что они могут работать на морозе и при облачной погоде. В последнем случае они поглощают энергию ИК лучей.

Солнечные батареи

Наибольшим спросом в промышленности и быту пользуются солнечные батареи, которые преобразуют энергию солнца в тепло. В основе таких устройств лежат фитоэлектрические преобразователи.

Преимущества — простота конструкции, удобство монтажа, минимальные требования к обслуживанию, а также повышенный ресурс. Для установки солнечной батареи не нужно дополнительного места. Главным условием нормальной работы является открытость свету и отсутствие затенения. Ресурс исчисляется десятилетиями, что и объясняет подобную популярность изделий.

Батареи, использующие энергию солнца, имеют и ряд недостатков:

• Повышенная чувствительность к загрязнению. По этой причине батареи устанавливают под углом 45 градусов, чтобы снег и дождь помогали очищать поверхность.
• Недопустимость чрезмерного нагрева. Если температура достигает 100-125 градусов Цельсия, возможно отключение устройства из-за повышения допустимой температуры. В такой ситуации потребуется специальная система охлаждения.
• Высокая стоимость. Этот недостаток нельзя назвать полноценным, ведь солнечная батарея имеет большой срок службы, а затраты на ее покупку и установку окупаются в течение нескольких лет.

Итоги

Современное общество знает, где используется солнечная энергия, и активно применяет накопленный опыт на практике. Возможности «огненного диска» необходимы для получения электрической энергии, обогрева и охлаждения помещений, а также обеспечения вентиляции.

С ростом стоимости нефти и газа наблюдается постепенный переход на альтернативные и более доступные источники. Например, в Германии почти половина домов оборудовано солнечными коллекторами для нагрева воды. Во многих государствах работают специальные программы, направленные на использование энергии солнца.

И данная тенденция с каждым годом только набирает обороты.