Гелиоэнергетика

Гелиоэнергетика – получение энергии от Солнца. Имеется несколько технологий

солнечной энергетики. Получение электроэнергии от лучей Солнца не даёт

вредных выбросов в атмосферу, производство стандартных силиконовых батарей

также причиняет мало вреда. Но производство в широких масштабах многослойных

элементов с использованием таких экзотических материалов, как арсенид галлия

или сульфид кадмия, сопровождается вредными выбросами.

Солнечные батареи имеют ряд преимуществ: они могут помещаться на крышах

домов, вдоль шоссейных дорог, легко трансформируются, используются в

отдалённых районах.

Главной причиной, сдерживающей использование солнечных батарей, является их

высокая стоимость. Нынешняя стоимость солнечной электроэнергии равняется 4,5

дол. за 1 Вт мощности и, как результат, цена 1кВт\час электроэнергии в 6 раз

дороже энергии, полученной традиционным путём сжигания топлива. Возможно

использование солнечной энергии для отопления жилищ.

Однако в условиях нашей страны 80% энергии Солнца приходится на летний

период, когда нет необходимости отапливать жильё, кроме того, солнечных дней

в году недостаточно, чтобы использование солнечных батарей стало экономически

целесообразно.

Солнечные коллекторы рекомендуется устанавливать в коттеджах, загородных

домах. Они экономичнее традиционных угольных котлов.

Создано опытное производство систем горячего водоснабжения, базирующихся на

использовании солнечной энергии. Эти устройства включают в себя солнечные

коллекторы и теплонакопители. Оптимальный для местного климата вариант –

система с четырьмя коллекторами – позволяет обеспечить потребности в горячем

водоснабжении семьи из 4-5 человек. Зимой установку можно интегрировать со

стандартной системой отопления. Стоимость оборудования варьируется в пределах

900-3500 дол. США.

Интересны примеры использования солнечной энергии в разных странах.

В условиях Великобритании жители сельской местности покрывают потребность в

тепловой энергии на 40-50% за счёт использования энергии Солнца.

Современные солнечные коллекторы могут обеспечить нужды сельского хозяйства

в тёплой воде в летний период на 90%, а в переходный период – на 55-65%, в

зимний – 30%.

Наиболее эффективно в странах ЕС солнечные установки эксплуатируются в

Греции, Португалии, Испании, Франции: выработка солнечными энергоустановками

составляет соответственно 870 000, 290 000, 255 200, 174 000 МВт\ч в год.

В целом, по Европейскому союзу вырабатывается 1 850 000 МВт\ч в год (по

данным 1998 г.).

Наиболее суммарной площадью установленных солнечных коллекторов располагают:

США – 10 млн.кв.м, Япония – 8 млн кв.м, Израиль – 1,7 млн. кв.м, Австралия –

1,2 млн. кв.м.

В настоящее время 1 кв.м солнечного коллектора экономит в год:

электроэнергии - 1070-1426 кВт\ч;

условного топлива – 0,14-0,19 т;

природного газа – 110-145 нкуб.м;

угля – 0,18-0,24 т;

древесного топлива – 0,95-1,26 т.

Площадь солнечных коллекторов 2-6 млн. куб.м обеспечивает выработку 3,2 – 8,6

млрд кВт\ч энергии и экономит 0,42 – 1,14 млн т усл. топлива в год.

Возобновляемые источники энергии – это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в среде потоков энергии. Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это является ее отличительным признаком.  Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Солнечная энергия испускается в виде электромагнитного излучения. Чтобы использовать его энергию, необходимо решить такие вопросы, как: уловить его наибольший поток, сохранить и передать производные от него тепло и электричество без потерь. Ресурсы солнечной энергии практически неограниченны. Так, по некоторым расчетам, количество её, достигшее поверхности Земли в течение минуты больше чем энергия, доступная из всех других источников в течение года.

Используя энергию солнца, гелиосистема позволяет экономить в год до 75% необходимого традиционного топлива.

Преимущества использования солнечной энергии – экологическая чистота (отсутствие эмиссии СО2) и неисчерпаемость сырья с одной стороны и длительный «срок годности». Солнечная батарея не имеет движущихся и трущихся частей, и может работать без замены рабочих элементов не теряя КПД 20-25 лет. Недостатками использования солнечной энергии являются естественные колебания солнечной активности - изменение продолжительности светового дня в течение года.  Отрицательные воздействия энергоустановок:

• использование больших по масштабу площадей, что связанно с возможной деградацией земель и изменением микроклимата в районе расположения станции.

• использование «хлористых» технологий получение «солнечного» кремния. Однако в мире и в России в стадии опытно-промышленного производства находятся бесхлорные экологически чистые технологии. Их широкое внедрение обеспечит, безусловно, экологическую чистоту фотоэлектрических станций и установок. 

Направления разработок гелиоэнергетики В настоящее время разработка гелиоэнергетических (греч. Helios – солнце) систем ведется по двум направлениям:

• Создание энергетических концентраторов;

• Совершенствование солнечных батарей.

Работа над первым направлением включает в себя создание систем, работающих по принципу концентрации энергии. Солнечная энергия в таком случае при помощи линзы фокусируется на относительно небольшом по площади фотоэлектрическом элементе. 

Например, фотоэлектрические системы с линзой Френеля, разрабатываемые японской компанией Sharp. Или силиконовые комплексные полупроводники (Калифорнийский технологический университет - Калтеха), разрабатываемые по принципу концентрирования солнечного света морскими организмами в частности морской губкой «Venus's flower basket».

Принцип работы солнечной батареи (генератора энергии) – это прямое преобразование электромагнитного излучения солнца в электричество или тепло. Этот процесс называется фотоэлектрическим эффектом (ФЭ). При этом генерируется постоянный ток. На сегодняшний момент существуют следующие виды солнечных батарей: 1.Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Это полупроводниковые устройства, прямо преобразующие солнечную энергию в электричество. Определенное число объединенных между собой ФЭП называются солнечной батареей.

2.Гелиоэлектростанции (ГЕЭС). Это солнечные установки, использующие высококонцентрированное солнечное излучение в качестве энергии для приведения в действие тепловых и других машин (паровой, газотурбинной, термоэлектрической и др.)

3.Солнечные коллекторы (СК). Это нагревательные низкотемпературные установки, использующиеся для автономного горячего водоснабжения жилых и производственных объектов.  Солнечные фотоэлектрические установки могут быть следующих основных типов: Автономные, работающие без подключения к сети, т.е. солнечные модули генерируют электричество для освещения, питания телевизора, радио, насоса, холодильника или ручного инструмента. Для хранения энергии используются аккумуляторные батареи.

Соединенные с сетью - в этом случае объект подключен к сети централизованного электроснабжения. Избыток электрической энергии продается компании-владельцу распределительных сетей по согласованному тарифу.

Резервные системы, в которых фотоэлектрические системы подключаются к сетям низкого качества. И в случае отключения сети или недостаточного качества сетевого напряжения нагрузка частично или полностью покрывается солнечной системой.  Основной комплексной проблемой, препятствующей успешному всеобщему внедрению батарей в производство является их низкая эффективность. То есть неэффективное сочетание стоимости, размеров и коэффициента полезного действия продукта (КПД). Существующие солнечные батареи (фотоэлементы) работают с КПД максимум 30-35%. Ведутся активные поиски возможности удвоения мощности солнечных фотоэлектрических установок. Хотя пока стоимость солнечной энергии остается слишком высокой для промышленности: киловатт-час солнечной энергии стоит 20–25 центов, между тем как цена электричества, производимого ТЭЦ, работающей на угле, составляет 4–6 центов, на природном газе — 5–7 центов, на биологическом топливе — 6–9 центов. 

Тенденции развития На сегодняшний день наиболее известными компаниями производящими солнечные батареи являются Siemens, Sharp, Kyocera, Solarex, BP Solar, Shell и другие.

По данным журнала «В мире науки» (№1-2007), «за последние 10 лет годовое производство фотоэлектрической энергии увеличивалось на 25%, а в одном только 2005 г. — на 45%. В Японии в абсолютном выражении оно достигло 833 МВт, в Германии — 353 МВт, в США — 153 МВт». 

По данным Solarhome.Ru, суммарная площадь установленных в наше время солнечных коллекторов в мире превышает уже 50 млн. м², что эквивалентно замещению генерации на органическом топливе в объеме примерно 5-7 млн. тонн условного топлива в год. 

Необходимость делать ставку на надежную, экологически чистую энергию по доступным ценам провоцируют активные поиски и разработку новых технологий. 

За последнее десятилетие солнечные батареи за счет усовершенствования технологии их изготовления стали доступнее. Так, в Японии подобное оборудование ежегодно дешевеет на 8%, в Калифорнии — на 5%....  Перспективы развития и использования солнечных систем в России Южные регионы и регионы с континентальным и резко континентальным климатом России являются наиболее благоприятными для применения солнечных коллекторов в качестве основного источника для отопления в зимний период.

В условиях центральной России гелиосистемы обеспечат значительную экономию использования классических видов топлива, существенно дополняя баланс энергопотребления (опыт внедрения гелиоустановок-водогреев в Калининграде). В настоящее время в России не ведется массовое производство и внедрение гелиосистем.

Хотя существующая в последнее время тенденция развития теплоснабжения, направленная на децентрализацию крупных источников поставки тепла - использования локальных технологий энергосбережения, может явиться стимулом развития возобновляемых источников энергии, в том числе и энергии солнца. На сегодняшний день в России гелиоустановки производятся Рязанским заводом металлокерамический приборов; Ковровским заводом; ЗАО "Южно-русской энергетической компанией"; АО "Конкурент" г. Жуковский Московской обл. Отдельные партии коллекторов изготавливает НПО машиностроения г. Реутов Московской обл. и др. Подробнее: http://www.bellona.ru/Factsheet/sunenergy