Солнечные энергетические системы и глобальный энергетический кризис

Эссе «Солнечные энергетические системы и глобальный энергетический кризис»

В настоящее время вопрос энергетического будущего мира является одной из самых обсуждаемых и актуальных проблем человечества. Казалось бы, решение этой проблемы очевидно: больше электростанций должно производить больше энергии. Однако для эксплуатации и технического обслуживания существующих и строящихся электростанций требуется больше топлива, получаемого из природных ресурсов нефти, газа и угля, которые не бесконечны. В настоящее время ученые и инженеры всего мира ведут поиск новых источников энергии, которые могли бы не только сохранить и заменить истощаемые природные ресурсы, но и улучшить экологическую картину планеты. Энергетика имеет множество отраслей, в зависимости от типа основного источника: атомная, угольная, газовая, гидроэнергетическая и альтернативная, которая основана на использовании возобновляемых источников энергии. Альтернативная энергетика включает в себя энергию ветра, геотермальную энергию, биомассу, приливные волны и солнечную энергию. Сравнивая все эти отрасли энергетики на основе эколого-экономических критериев и показателей безопасности, можно сделать вывод, что солнечная энергетика является наиболее перспективной. В настоящей статье рассматривается проблема современного человечества-кризис энергоресурсов. В связи с этим становится необходимым использование новых источников, таких как альтернативная энергия. Основное внимание уделяется областям применения солнечной энергии как чистого и возобновляемого источника энергии. Кроме того, в статье описаны существующие изобретения, их конструкция и назначение.

Солнечные энергетические системы и устройства

Наиболее подходящим видом энергии для большинства автономных объектов является энергия Солнца. На данный момент солнечная энергия является практически единственной, запасы которой совершенно неисчерпаемы. Количество энергии, получаемой землей от Солнца за один час, равно общей энергии, потребляемой людьми за год, и в то же время этот вид энергии практически не имеет экономических ограничений (ЦАО, Льюис. и Крэбтри). Вполне естественно, что развитие солнечной энергетики и попытки ее практического использования, особенно в США и Западной Европе, чрезвычайно интенсивны во всем спектре возможных применений, начиная от микроэлектрических на несколько десятков ватт для различных независимых членов до солнечных электростанций для промышленного использования, включая такие приложения, как космические аппараты и автомобили на солнечных батареях.

Количество солнечной энергии, достигающей Земли, превышает энергию мировых запасов угля, газа, нефти и других энергоресурсов. Использование только 0,0125% солнечной энергии могло бы обеспечить все потребности современной глобальной энергетики (Кравченко). Преимущества технологий, использующих солнечную энергию, заключаются в том, что солнечные установки не дают тепла, добавляемого в поверхностные слои атмосферы, где не генерируется парниковый эффект и отсутствует загрязнение воздуха. Однако существует недостаток солнечной энергии. В частности, это зависит от состояния атмосферы, времени суток и времени года. Использование солнечной энергии в основном идет двумя путями: в виде тепловой энергии через использование различных тепловых систем или путем фотохимических реакций. Наиболее широко используемая в мире технология использования солнечной энергии - это горячее водоснабжение и отопление. Для этого достаточно низкотемпературной энергии. Установки и системы солнечного отопления делятся на пассивные и активные (Fricke).

В пассивных системах поглощение и накопление солнечной энергии обеспечивается непосредственно элементами строительных конструкций с небольшим использованием дополнительных устройств или без них. На протяжении всей своей истории человечество научилось использовать солнечное тепло при строительстве домов. Во многих странах здания характеризуются толстыми стенами, накоплением энергии и ориентацией окон на солнечную сторону. Даже в настоящее время разрабатываются новые методы, которые улучшают такую систему. Стена, обращенная на юг, черная, перед стеной есть застекленная поверхность, а между ними есть воздух, который нагревается и затем циркулирует в здании конвекцией. Водяная стена может быть использована вместо каменной, образованной заполненными водой контейнерами из стекловолокна.
Активные системы основаны на использовании солнечных тепловых коллекторов, которые преобразуют солнечную энергию в тепло. Обычно солнечный коллектор состоит из энергопоглощающего листового стекла и трубок, расположенных между пластиной и стеклом. Нагретая жидкость циркулирует по трубам с помощью насоса. Солнечные коллекторы могут быть использованы в различных низкотемпературных процессах. Например, они могут быть использованы в пищевой промышленности для пастеризации продуктов, очистки банок, бутылок, стирки в прачечных, сушки сельскохозяйственной продукции и так далее.

Отражающие солнечные коллекторы, которые концентрируют тепло и свет солнца, преследуя его движения, используются для получения более высокой температуры или для выполнения какой-либо механической работы. Такие коллекционеры имеют либо зеркала, либо линзы. Зеркала могут быть параболическими, сферическими или параболоидными. Концентрированный солнечный свет падает на центральный радиатор и нагревает жидкость, которая затем перекачивается. Эта система включает в себя резервуар для хранения нагретой жидкости.

Основная проблема широкого использования солнечных тепловых систем связана с их экономической эффективностью и конкурентоспособностью по сравнению с традиционными системами. Стоимость энергии, вырабатываемой солнечными установками, выше, чем стоимость энергии, получаемой при использовании традиционных видов топлива. Однако использование солнечных батарей более экономично для районов, удаленных от централизованного электроснабжения (Corkish, Green, Watt и Wenham).

Более эффективным способом использования солнечной энергии является ее прямое преобразование в электрическую энергию с помощью солнечных элементов. Фотоэлементы представляют собой светочувствительные пластины, изготовленные из полупроводниковых материалов: селена, кремния,арсенида галлия, кремния, диселенида и др. (Коркиш, Грин, Уотт и Уэнхем). Фотовольтаика возникает, когда световые частицы (фотоны) создают электрический ток, который поглощается полупроводником. Солнечные батареи могут быть разной мощности, от портативных агрегатов в несколько ватт до мощности Ватт, охватывающей миллионы квадратных метров. Чтобы не зависеть от сезонного и суточного солнечного цикла и атмосферных условий, существуют технические способы накопления энергии, такие как электрохимические аккумуляторные батареи и механическое накопление (с помощью вращающихся Маховиков) в виде водорода. Также возможно смешивание элементов с другими источниками энергии, такими как наиболее вероятная комбинация с ветряными турбинами, а также системами с ископаемым топливом.

Фотоэлектрические системы (солнечные панели) требуют минимального технического обслуживания и не используют воду. Таким образом, они хорошо подходят для отдаленных и пустынных регионов. Этот метод преобразования солнечной энергии долговечен и экологически чист. Он также может быть использован для улучшения условий окружающей среды на месте использования и в будущем для регулирования условий окружающей среды на больших площадях.
Основные потребности в солнечных батареях включают в себя: освещение, функционирование электроники (радио, телевизор, холодильник) и насосы для подъема воды в отдаленных сельских районах. Это также помогает обеспечить энергоснабжение экологически чистых общественных зон отдыха и лечения, а также для радио-и телекоммуникационных систем, маяков, буев. Установки солнечной энергетики не только экологичны, но и оказывают положительное влияние на другие сферы жизнедеятельности. Например, использование солнечных батарей в жарких пустынных регионах, таких как зонт от солнца, обеспечивает благоприятные условия для выращивания под ним дынь и цитрусовых, для которых интенсивный солнечный свет нецелесообразен. Другой пример-использование солнечных панелей или солнечных коллекторов в качестве строительных элементов для фасадов (Chiras).

Производство солнечной техники

Во многих странах наблюдается постоянный рост производства солнечных коллекторов. Их текущая глобальная установленная мощность оценивается в 15 ГВт (Стернер). Общая площадь солнечных коллекторов в мире, по неполным данным, превышает 21 миллион квадратных метров, в то время как ежегодное производство солнечных коллекторов превышает 1,7 миллиона квадратных метров. На данный момент ведущими странами являются (в миллионах квадратных метров): Япония – 7, США – 4, Израиль – 2,8, Греция – 2. фотоэлектрическая конверсия солнечной энергии является одним из самых быстрорастущих направлений в области возобновляемых источников энергии. В настоящее время общая установленная мощность солнечных фотоэлектрических систем составляет более 938 МВт. За последние 5 лет ежегодный прирост составил 30%. На данный момент ведущими странами являются: Япония – 80 МВт, США – 60 МВт и Германия – 50 МВт (Калогиру).

Масштабы использования фотоэлектрических солнечных элементов ограничены более высокой стоимостью вырабатываемой электроэнергии по сравнению с энергией, вырабатываемой при использовании традиционных источников энергии. Удельная стоимость мощности плоских солнечных модулей на мировом рынке составляет 4-5 $ / Вт, а стоимость фотоэлектрических установок-7-10 $ / Вт (Вольф). Стоимость электроэнергии, вырабатываемой модулями, колеблется от 0,2 до 0,3 / $/кВтч, что значительно превышает стоимость электроэнергии из обычных источников. Однако во всем мире есть большие территории с централизованным энергоснабжением, испытывающие острый дефицит энергии, что приводит к значительным потерям, в том числе материальным и финансовым. Есть регионы, удаленные от централизованной власти, такие как отдельные населенные пункты, деревни и операционные пункты. Использование возобновляемых источников энергии, в том числе солнечной, позволило бы решить социально-экономические проблемы этих регионов и отдаленных населенных пунктов. Поэтому вопрос об экономических возможностях и эффективности должен решаться с учетом социально-экономических условий, в том числе энергодефицита, стоимости топлива, а также географических и климатических условий.

Основные Изобретения

Ученые подсчитали, что небольшого процента солнечной энергии достаточно для обеспечения транспортных, промышленных и бытовых нужд как сейчас, так и в будущем. Энергетический баланс Земли и состояние биосферы не должны быть затронуты независимо от того, используется энергия или нет. Однако нельзя упускать из виду один существенный недостаток. Солнечное излучение, падающее на поверхность Земли, не имеет фиксированного места концентрации. Таким образом, необходимо поймать и превратить эту энергию в форму, которая могла бы быть использована для удовлетворения человеческих потребностей. Кроме того, существует необходимость в некотором роде запасать солнечную энергию для поддержания электроснабжения ночью и в пасмурные дни. В настоящее время эта проблема легко решается. Главное-правильно использовать этот ресурс, чтобы свести его стоимость к минимуму. Более того, с учетом каждодневного совершенствования технологий, которые становятся все более дорогими и, самое главное, традиционными исчерпываемыми ресурсами, солнечная энергетика найдет все больше сфер применения. Итак, ниже приведены основные из них.

Задачей солнечных коллекторов является максимально эффективное накопление солнечной энергии. При проектировании солнечного коллектора было использовано несколько известных принципов. Например, нагреватель основан на свойстве солнечных лучей, которые свободно проходят через прозрачную среду в замкнутое пространство и, будучи преобразованы в тепловую энергию, уже не могут возвращаться обратно через прозрачную крышу установки. Гидравлическая система работает по принципу термосифонного эффекта. Это известно по свойству нагреваемой жидкости подниматься вверх, вытесняя более холодную воду и заставляя последнюю двигаться к месту нагрева. Следует также отметить, что при разработке солнечной энергетики учитывался эффект накопления и сохранения тепла. Накопленная солнечная энергия преобразуется в тепловую энергию, которая сохраняется в течение длительного времени. Существуют различные типы солнечных коллекторов, различающиеся по внешней форме поверхностей или по принципам поглощения поверхностей и методам накопления.

Плоский солнечный коллектор-это наиболее распространенный тип солнечных коллекторов, используемых для бытового нагрева воды и систем отопления. Этот солнечный коллектор имеет застекленную панель, охватывающую пластину поглотителя. Пластина поглотителя выполнена из металла с хорошей теплоемкостью (Калогиру). Наиболее часто используемый металл-медь, так как она лучше проводит тепло и менее подвержена коррозии, чем алюминий. Пластина обработана специальным высокоселективным абсорбирующим покрытием, которое сохраняет лучшее поглощение солнечного света. Это покрытие состоит из очень прочного тонкого аморфного полупроводникового слоя, нанесенного на металлическую основу и обладающего высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низкой излучательной способностью в длинноволновой инфракрасной области. Теплопотери уменьшаются за счет остекления, так как матовое стеклопакетное стекло с низким содержанием железа, пропускающее только свет, обычно используется в плоских солнечных коллекторах. Дно и боковые стенки солнечного коллектора покрыты теплоизоляционным материалом, что дополнительно снижает теплопотери.

В вакуумном солнечном коллекторе с прямой теплопередачей воды вакуумные трубки расположены под определенным углом и соединены с накопительным баком (Калогироу). Из него вода из петлевого теплообменника поступает непосредственно в трубы, нагревается и возвращается обратно. Преимущества этой системы касаются прямой передачи тепла воде без других элементов. Термосифонные системы работают по принципу естественной конвекции, когда теплая вода устремляется вверх. В термосифонных системах бак должен располагаться над коллектором. Когда вода в трубках солнечного коллектора нагревается, она становится легче и естественным образом поднимается к верхней части бака. Более холодная вода в баке стекает вниз в трубу; таким образом, она циркулирует по всей системе. В небольших системах бак интегрирован с солнечными коллекторами и не рассчитан на давление в рельсах. Поэтому термосифонные системы должны использовать либо подачу воды с восходящей мощности, либо через редукторы снижения давления. Этот тип солнечного коллектора имеет минимальное сопротивление потоку. Система должна быть без давления (открытый расширительный бак) для труб, чтобы избежать давления. Недостатком такой системы является несколько больший объем водяного контурного теплообменника. Там также может быть случай утечки воды, если трубка солнечного коллектора сломана. Однако главным преимуществом является низкая стоимость при всех преимуществах солнечного коллектора с вакуумными лампами.

Первый прототип солнечной машины появился в 1955 году в Чикаго благодаря Уильяму Коббу (Фристоуну). Модель имела конструкцию длиной чуть больше фута и состояла из тринадцати селеновых солнечных батарей на крыше и небольшого электромотора. Это была первая попытка создать бесшумный и экологически чистый транспорт. В конце 80-х годов 20 века эта идея распространилась по всему миру. Идея, конечно, уникальная, но и довольно дорогая. Для того чтобы автомобиль на солнечной энергии мог конкурировать с легковым автомобилем, необходимо использовать самые легкие и прочные конструкционные материалы, а также высокоэффективную систему привода, новейшие достижения в области электроники, электротехники и аэродинамики.

Мобильная станция фотоэлектрическая - это автономный источник энергии, который может использоваться как в открытом удаленном месте, так и для стационарного использования. Однако, конечно же, основное назначение станции-это зарядка аккумулятора. Принцип работы передвижной фотоэлектрической установки заключается в прямом преобразовании солнечного света в электричество через солнечные элементы. Станция состоит из модульных солнечных панелей, сборно-разборных конструкций и межмодульного кабеля. Солнечные элементы, используемые в модулях, защищены с лицевой стороны светостойкой пленкой, а с обратной стороны имеют жесткую подложку. Все это помогает защитить их от механических повреждений и воздействия окружающей среды. Солнечные модули подходят для хранения и транспортировки, так как они созданы в удобной складной конструкции. Что касается силовых характеристик такой установки, то кабель может параллельно переключать все модули для зарядки номинальным напряжением 12 В, а последовательно-параллельно напряжением 24 В. Для достижения напряжения 48 В необходимо соединить все модули с их собственным током, ведущим в ромашковую цепь (Калогиру).

Портативная солнечная энергетическая система предназначена в первую очередь для энергоснабжения постоянного тока дома и специального оборудования мощностью до 60 Вт и основана на солнечных фотоэлектрических модулях. В состав портативной системы входят: солнечная батарея, герметичная аккумуляторная батарея с регулятором уровня заряда, сигнальное устройство, сетевой адаптер и лампа с люминесцентной лампой.

Особенности системы заключаются в следующем:

Накопление энергии от различных источников, включая термоэлектрические солнечные батареи и зарядные устройства питания;

Простота использования и сборки технологии реализована за счет использования электрических разъемов;

Легкий вес и неоспоримая компактность, которые важны для мобильности системы.

Солнечная кухня-это бытовые солнечные установки, предназначенные для приготовления пищи. Основным элементом является солнечный концентратор, который фокусирует солнечные лучи на поверхности детектора излучения-блюда, в котором готовится пища. Часто солнечные концентраторы, используемые для солнечных тарелок, имеют низкую точность фокусировки солнечного излучения, однако этого достаточно для удобства повседневного использования. Вращение после кажущегося движения Солнца осуществляется вручную и КПД установки достигает 55-60% (Гессельбах и Германн). Преимуществами солнечной кухни являются ее компактность для использования в условиях открытого пространства, незаменимость отсутствия газа и, конечно же, бюджетность установки.

Лампы с солнечными батареями: сегодня не может быть большого сюрприза в том случае, если кто-то использует фотоэлектрические системы для ночного освещения улиц, магистралей и других районов. Эти системы являются автономными источниками питания, которые основаны на солнечном модуле, что позволяет сделать освещение менее дорогостоящим. Принцип работы таких систем надежен и прост. В дневное время фотоэлектрический элемент заряжает батареи, превращая солнечную энергию в электричество. Ночью свет автоматически включается и остается включенным до рассвета. Интенсивность солнечного излучения не влияет на зарядные способности аккумулятора, его можно заряжать даже в пасмурную погоду, не говоря уже о зимнем сезоне.

Структура фотоэлектрической системы включает в себя:

Фотоэлектрический модуль, преобразующий солнечный свет в электричество;

Аккумулятор, который накапливает энергию. Обычно используются герметичные и необслуживаемые аккумуляторы, срок службы которых не превышает 10 лет;

Контроллер, который оптимизирует уровень заряда / разряда аккумулятора и автоматически включает свет ночью и выключает свет днем;

Инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный;

Осветительный блок, включающий в себя потолок и лампу.

Конечно, все электронные устройства, оснащенные фотоэлектрической системой, защищены от короткого замыкания, перегрузки и перегрева, обеспечивая при этом надежность и эффективность работы системы.

В заключение следует отметить, что солнечная энергия является одним из наиболее возобновляемых и легкодоступных источников энергии. Тот факт, что солнечный свет и тепло доступны бесплатно в больших количествах и никому не принадлежат, делает их одним из важнейших альтернативных источников энергии. В настоящее время потенциал солнечной энергетики чрезвычайно высок помимо большого количества положительных моментов в пользу использования этого ресурса по сравнению с традиционной энергетикой. Однако, как уже упоминалось в начале, есть один существенный недостаток. Несмотря на то, что количества солнечной энергии достаточно, чтобы обеспечить все энергетические потребности мира, к сожалению, эти огромные потенциалы вряд ли когда-нибудь будут реализованы в больших масштабах. Это невозможно из-за низкой интенсивности солнечного освещения. Более того, использование большого количества коллекторов сопряжено со значительными материальными затратами. Возможно, ситуация изменится к лучшему, если будут созданы и применены более дешевые материалы для коллекционеров.