Солнечная энергия как источник электрической энергии
Перейти к содержимому

Солнечная энергия как источник электрической энергии

  • автор:

Солнечная энергетика

Солнечная энергетика

Солнечная энергетика является одним из крупнейших сегментов альтернативной энергетики и отрасли использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Сегодня принято различать три основных технологии солнечной энергетики: энергия солнца может использоваться для генерации электроэнергии (фотовольтаика, photovoltaics, PV), для получения концентрированной тепловой энергии с целью последующей электрогенерации (concentrated solar power, CSP) или для непосредственного нагрева теплоносителя, наиболее часто водного (solar thermal).

Применение солнечной энергии в фотовольтаике на сегодняшний день получило наибольшее распространение. В фотовольтаике энергия солнечного излучения преобразуется в электричество в солнечных батареях, основу которых составляют Солнечные элементы, или фотоэлектрические преобразователи (ФЭП). Принято различать несколько поколений ФЭП, среди которых основную долю рынка занимают ФЭП первого поколения на основе кристаллического кремния, получаемого из монокремния. Наиболее перспективными и наиболее дешевыми считаются ФЭП третьего поколения на основе органических материалов. Технический потенциал развития фотовольтаики связан с повышением КПД, т.е. c эффективностью преобразования в ФЭПе солнечного света в электроэнергию.

В концентрированных системах солнечной энергии (CSP) энергия солнечных лучей с помощью системы линз и зеркал фокусируется в концентрированный луч солнца. Этот луч солнца используется как источник тепловой энергии для нагрева рабочей жидкости, которая расходуется для электрогенерации по аналогии с обычными ТЭЦ или накапливается для сохранения энергии. Альтернативная технология предусматривает получение в системах CSP только горячей воды.

Простейшим примером использования энергии солнца является нагрев воды для бытовых нужд в специальных солнечных коллекторах. Этот метод широко используется в южных странах, таких как Израиль, Турция, Греция, Китай, Хорватия, где энергия солнца очень выгодна.

Солнечная энергия и ее использование представляют собой актуальные области для научных исследований и технологических разработок. Как и любой ВИЭ, тепловая солнечная энергия имеет свои особенности. Главным показателем эффективности использования энергии солнечного света является показатель инсоляции региона реализации проекта. Инсоляция показывает интенсивность облучения поверхности солнечным светом и измеряется в кВт-ч/кв. м за определенный временной промежуток (день, месяц, год). Чем больше инсоляция региона, тем большая энергия солнца может быть переведена в электрическую или тепловую энергию. Тем не менее солнечная энергетика может развиваться в регионах с низкой инсоляцией от солнца, например, в Германии, которая является мировым лидером по объему установленных фотовольтаических станций, инсоляция почти в два раза ниже показателей североафриканских стран.

Солнечная энергия, как и другие альтернативные источники энергии, может применяться и использоваться в различных областях человеческой деятельности:

  • солнечная энергетика в форме промышленных тепло- и электростанций;
  • солнечная энергетика в форме станций для снабжения тепловой и электрической энергией коммерческих, промышленных, административных, социальных и прочих зданий и помещений;
  • солнечная энергетика в форме установок для частных домохозяйств;
  • использование гибких солнечных батарей в качестве строительных материлов (BIPV) и в текстильной промышленности (SFIT);
  • солнечная энергия используется для резервных источников питания в товарах массового потребления, таких как калькуляторы, ноутбуки, аккумуляторы и проч.;
  • использование солнечной энергии в качестве резервного источника питания автотранспортных средств;
  • солнечная энергия применяется для освещения в темное время суток табло, дорожных знаков и проч.;
  • использование энергии солнца для приготовления еды.

Солнечная энергия: неисчерпаемый источник энергии

Солнечная энергетика – это технология получения электрической или тепловой энергии путем преобразования энергии солнечного света. Преобразование солнечной энергии в электрическую носит название фотоэнергетика или солнечная энергетика.

Солнце — неиссякаемый источник энергии. Солнечные модули можно размещать как на земле, так и на крышах зданий. В отличие от некоторых других методов выработки электроэнергии, фотоэлектрические системы не создают шумового загрязнения. Кроме того, системы требуют относительно небольшого ухода и обслуживания по сравнению с другими методами выработки электроэнергии. Достаточно время от времени вытирать снег или пыль с солнечных модулей. Если модули монтируются под углом, то пыль даже удаляется дождем самостоятельно.

Солнечная энергия может быть использована в любой точке мира и с применением различной установленной мощности и размера солнечной системы: начиная с солнечного рюкзака для зарядки смартфона и заканчивая фотоэлектрическими парками площадью в несколько гектаров, которые могут снабжать солнечной электроэнергией целые промышленные зоны или города. Солнечная генерация доступна каждому — гражданам в целях электроснабжения собственного домохозяйства, фермерам для обеспечения электроснабжения на полях или для предприятий и государственных учреждений.

В отличие от традиционных источников энергии, таких как уголь или газ, солнце доступно везде. Для выработки энергии необязательно наличие солнечной погоды и прямых солнечных лучей — даже при облачном небе вырабатывается электричество, хотя и не так эффективно, как в солнечную погоду. Распространённым заблуждением является то, что для практического применения солнечной энергетики температура окружающей среды должна быть высокой. Это отнюдь не так — солнечная генерация так же успешно используется и безотказно работает как в жарких африканских странах под палящим солнцем, так и в холодных регионах Центральной Азии. Кстати, благодаря гладкой поверхности защитного стекла на панелях, небольшое количество снега обычно самостоятельно соскальзывает с модулей.

Фотовольтаика (греч. Фотос – свет и Вольт – единица измерения электрического напряжения, назв. в честь Алессандро Вольта). Это название очень распространено в международном общении – Photovoltaics, сокращенно — PV. Это способ получения электроэнергии, при котором фотогальванические элементы преобразуют энергию солнца в электричество.

Солнечная электростанция или солнечная система является единым объектом для производства электрической энергии с использованием солнца. В этом случае установленная мощность солнечной электростанции может варьироваться от нескольких ватт (в калькуляторе или другом маломощном электронном устройстве) до крупных солнечных парков от 500 мегаватт до одного гигаватта, что является размером среднестатистических атомных электростанций. Как правило, каждая солнечная электростанция имеет однотипный состав оборудования, различаются только характеристики оборудования в зависимости от требуемой потребителем мощности и типа напряжения. Объекты для генерации маломощной солнечной электроэнергии расположены, например, на крышах образовательных учреждений нашего проекта.

Компоненты солнечной электростанции:

Солнечные модули – группа полупроводниковых компонентов (фотоэлементов), преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток. Модуль состоит из множества солнечных элементов. Модули производятся с различными параметрами и характеристиками в зависимости от количества солнечных элементов, их размеров и используемой технологии. Солнечные модули обычно весят от 13 до 25 кг, достигают средних размеров 1 x 1,5 x 0,3 метра и имеют срок службы не менее 25 лет.
На сегодняшний день основным материалом, используемом при производстве ячеек (фотоэлементов) для солнечных панелей является кремний. Существует несколько видов солнечных панелей — монокристаллические, поликристаллические, тонкопленочные и гетероструктурные.

Установленная мощность солнечной электростанции означает величину активной электрической энергии, которую солнечная электростанция может генерировать в данный момент времени. Установленная мощность зависит от количества солнечных модулей, используемых на электростанции, и от мощности каждого отдельного солнечного модуля. Например, один солнечный модуль может иметь установленную мощность как 100 Вт, так и 350 Вт, даже если оба модуля имеют одинаковый размер. Вместимость или мощность модуля зависит от используемых солнечных элементов, технологии его производства и ряда других факторов.

Солнечный инвертор является полупроводниковым компонентом, который преобразует постоянный ток, генерируемый солнечным модулем, в переменный ток. При этом в составе инверторных устройств могут устанавливаться трансформаторы напряжения, для получения необходимого потребителю уровня напряжения.

Контроллер – микропроцессорное устройство, своего рода «мозг» солнечной системы, которое управляет управляет режимами работы солнечной электростанции и контролирует их, а также переключает питание потребителя от солнечной электростанции/аккумулятора (при наличии) / центрального источника питания (при наличии), контролирует заряд аккумулятора и защищает систему электропитания потребителя от перегрузок. На промышленных солнечных электростанциях для контроля электростанции вместо контроллера используется структура управления более высокого уровня.

Система мониторинга солнечной электростанции, по сравнению с контроллером, представляет собой структуру для управления крупными (промышленными) сетевыми или локальными солнечными электростанциями более высокого уровня. Система имеет в своем составе такое оборудование как релейная защита и автоматизация, телемеханика, система учета электроэнергии, система слежения за положением солнца, так и систему диспетчеризация солнечной электростанции (управляемые диспетчером).

Аккумулятор – электрохимическое устройство, позволяющее накапливать электрическую энергию на длительный срок, чтобы передать ее потребителю электроэнергии в необходимые периоды времени. Наиболее часто используются, в зависимости от применяемой технологии: свинцово-кислотные и литий-ионные аккумуляторы. Эти аккумуляторы также часто называют накопителями солнечной энергии.

1 кВт – это что и это сколько?
Ватт (русское обозначение: Вт, международное обозначение: W) — единица измерения мощности, включающая мощность постоянного электрического тока, активной и полной мощности переменного электрического тока. Устройство названо в честь шотландско-ирландского изобретателя механики Джеймса Ватта (Watt).

1 Вт установленной мощности солнечной электростанции — это величина пиковой активной электрической мощности, которую солнечная электростанция может генерировать в данный момент времени. 1000 Ватт — это киловатт, 1000 киловатт — это мегаватт, а 1000 мегаватт — это гигаватт.

2024 © Solar Schools
Impressum

Energy
education

Теплопроводность

Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования в народном хозяйстве. Солнечная энергетика — направление альтернативной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде.

2. Солнечная энергетика

Солнечная энергетика — непосредственное использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый 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.

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м 2 , расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м 2 (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м 2 . 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.

Поток солнечного излучения.

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., т.е. 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 популярным способом преобразования солнечной энергии.

Солнечные коллекторы.

Солнечные коллекторы.

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.

Солнечные коллекторы могут применяться для приготовления пищи.

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны — энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов. Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях, самолётах, дирижаблях и т.д. Фотоэлектрические элементы 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.

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах.

Администратор сайта: Колосов Михаил
email:
Copyright © 2011-2024. All rights reserved.

Солнечная энергия как источник электрической энергии

© 2021-2023. Нау. Путеводитель по науке в Москве

© 2021-2023. Нау. Путеводитель по науке в Москве

Путеводитель по науке в Москве
Энергия будущего: как люди используют Солнце
Энергия будущего: как люди используют Солнце

По легенде, первыми солнечную энергию придумали использовать древние греки . Чтобы отбить атаку римлян на город, Архимед выстроил воинов, вооруженных металлическими отполированными щитами, которые отражали лучи солнца и концентрировали их на вражеских кораблях. Деревянные корабли легко загорались. Несмотря на то что это легенда, не так давно в Греции попробовали реконструировать этот опыт — и он удался.

По легенде, первыми солнечную энергию придумали использовать древние греки . Чтобы отбить атаку римлян на город, Архимед выстроил воинов, вооруженных металлическими отполированными щитами, которые отражали лучи солнца и концентрировали их на вражеских кораблях. Деревянные корабли легко загорались. Несмотря на то что это легенда, не так давно в Греции попробовали реконструировать этот опыт — и он удался.

Дмитрий Паращук,

доктор физико-математических наук, профессор, руководитель лаборатории органической электроники физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова

Откуда берется энергия

От Солнца на Земле мы имеем фантастическое количество энергии. Один час работы Солнца эквивалентен годовому потреблению энергии на всей Земле. Если мы сможем использовать энергию Солнца, другие источники энергии нам не понадобятся. Что нас ждет в будущем с точки зрения структуры энергопотребления? Сегодня мы находимся в глобальном энергетическом кризисе: энергетических ресурсов, которые мы потребляем, хватит на очень ограниченное время. Сейчас 80% энергии мы получаем за счет ископаемых ресурсов. По разным оценкам, при таких темпах использования их хватит на десятки, максимум — на сотню лет. Скорость накопления ископаемых ресурсов примерно в тысячу раз меньше скорости, с которой мы их сжигаем. Человечеству нужно думать, откуда брать энергию.

Важно отметить, что многие другие возобновляемые ресурсы связаны с солнечной энергией. Фактически ее использует гидро- и ветроэнергетика. Энергия Солнца накапливается в био- топливе: траве, соломе и всем, что растет на поверхности земли.

Фото сгенерировано моделью ruDALL-E от Сбера по запросу «Энергия будущего»
Солнечные электростанции

Как устроены солнечные электростанции? Каковы принципы их работы? Возьмем термодинамические солнечные электростанции: Солнце греет теплоноситель, например воду. Вода, разогретая до высоких температур, испаряется, пар крутит паровую турбину. Эта турбина подключена к электрогенератору и вырабатывает электричество. Таким образом солнечная энергия преобразуется в тепловую, а потом уже в электрическую. Во многих южных странах используются солнечные коллекторы. Они позволяют пользоваться солнечной энергией, не перерабатывая ее в электричество. Это могут быть трубки, размещенные на крыше дома и нагревающие воду.

Основное направление развития солнечной энергетики — солнечная фотовольтаика, или фотоэлектрический способ преобразования солнечной энергии. Энергия света преобразуется не в тепло, а наиболее прямым образом сразу в электрическую энергию.

Устройство солнечных батарей

Как устроены солнечная батарея, солнечный элемент и солнечная панель? Представим пленку или пластинку, на которую падает солнечное излучение. Оно поглощается, в результате чего должны появляться носители электрических зарядов. Если они появляются, то можно преобразовать энергию Солнца в электричество. Батарея должна быть устроена так, чтобы одни типы зарядов шли к одному электроду, например к электроду «минус», а остальные шли к другому, который имеет знак «плюс». Таким образом мы можем непосредственно преобразовать энергию Солнца в электричество.

В основе работы солнечных элементов, или солнечной фотовольтаики, лежит фотоэффект: у нас есть свет, который состоит из фотонов (из элементарных носителей света), фотоны несут энергию, их можно представить как поток частиц. Этот поток может поглотить полупроводниковый материал (металлический не подойдет), и энергия фотонов перейдет к электронам вещества. Фотоэффект известен более 100 лет; значительный вклад в понимание природы фотоэффекта внес российский физик Александр Столетов (1839–1896).

В будущем возможно появление солнечного транспорта: солнечной авиации, солнечных кораблей и солнечных автомобилей.
Все эти транспортные средства смогут питаться энергией Солнца

Особенности производства

Более 90% выпускаемых солнечных модулей сегодня делаются на основе кремния. У кремниевых солнечных батарей высокая эффективность, но она имеет свои пределы. Лучшая эффективность у монокристаллического кремния. Это специально выращенный совершенный кристалл из кремния диаметром 10–20 сантиметров. Из такого монокристалла нарезают пластинки, а потом из них делают солнечные элементы. Чтобы очистить полупроводниковый материал и солнечный кремний, нужно вложить довольно много энергии. Эта особенность производства приводит к тому, что кремниевые элементы довольно дороги. А человечеству нужно очень много батарей. В этом и заключается основная проблема области солнечной фотовольтаики и солнечной энергетики — нужна разработка дешевых, эффективных и долговечных солнечных элементов.

Наиболее эффективные солнечные батареи — мультикаскадные. Они представляют собой множество полупровод- никовых слоев, образующих многослойный «сэндвич». Фактически он состоит из нескольких солнечных элементов, которые преобразуют разные области солнечного сектора, например синюю часть, красную часть, инфракрасную часть. Многослойные элементы очень дóроги, их применение оправданно только в тех местах, где много солнца и прозрачная атмосфера, потому что для таких элементов необходимы концентраторы, например параболические зеркала. Они концентрируют энергию Солнца на активный элемент — чип. Он небольшой, порядка одного квадратного сантиметра, но именно так удается эффективно использовать энергию в таких солнечных элементах.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *