Перспективы солнечной энергетики и её развитие в том числе в космосе

Использование солнечной энергии в химическом производстве

Солнечная энергия может применяться в различных химических процессах. Например:

Израильский Weizmann Institute of Science в 2005 году испытал технологию получения неокисленного цинка в солнечной башне. Оксид цинка в присутствии древесного угля нагревался зеркалами до температуры 1200 °С на вершине солнечной башни. В результате процесса получался чистый цинк. Далее цинк можно герметично упаковать и транспортировать к местам производства электроэнергии. На месте цинк помещается в воду, в результате химической реакции получается водород и оксид цинка. Оксид цинка можно ещё раз поместить в солнечную башню и получить чистый цинк. Технология прошла испытания в солнечной башне канадского Institute for the Energies and Applied Research.

Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (CHP) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентраторов. Площадь зеркал установки составляет 93 м². В фокусе концентратора температура достигает 2200°С. Вода начинает разделяться на водород и кислород при температуре более 1700 °С. За световой день 6,5 часов (6,5 кВт·ч/кв.м.) установка CHP может разделять на водород и кислород 94,9 литров воды. Производство водорода составит 3800 кг в год (около 10,4 кг в день).

Водород может использоваться для производства электроэнергии, или в качестве топлива на транспорте.

Классификация

По характеру преобразования

Выпрямители

Основная статья: Выпрямитель

Выпрямитель — устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток.

Инверторы

Основная статья: Инвертор (электротехника)

Инвертор — устройство, задача которого обратна выпрямителю, то есть преобразование энергии источника постоянного тока в энергию переменного тока.

Инверторы подразделяются на два класса: ведомые сетью (зависимые) и автономные.

Зависимые инверторы

Ведомые инверторы преобразуют энергию источника постоянного тока в переменный с отдачей её в сеть переменного тока, то есть осуществляют преобразование, обратное выпрямителю.

Автономные инверторы

Автономные инверторы — устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работающие на автономную (не связанную с сетью переменного тока) нагрузку.

В свою очередь автономные инверторы подразделяются на:

• АИН
• АИТ
• АИР

Преобразователи частоты

Основная статья: Преобразователь частоты

Преобразователь частоты — вторичный источник электропитания, вырабатывающий переменный электрический ток с частотой, отличной от частоты тока исходного источника.

Преобразователи напряжения

• блоки питания:
  • источники бесперебойного питания
• трансформаторы напряжения

1. Импульсные (на постоянном токе)
2. Фазовые (на переменном токе)

• Управляемые
• Неуправляемые

Аккумуляторы

Итак, 1 Вт солнечная батарея стоит 0.5$. За день она сгенерирует допустим 8Вт*ч электричества (за 8 солнечных часов). Как нам эту энергию сохранить до вечера, когда она будет больше всего нужна?

Китайские литиевые аккумуляторы стоят примерно 0.4$ за Вт*ч, соответственно, на 1Вт солнечной батареи (ценой в 0.5$) нам понадобится аккумуляторов на 3.2$, т.е. аккумулятор получается в 6 раз дороже солнечной батареи! Помимо этого нужно учитывать, что через 1000-2000 циклов заряд-разряд аккумулятор придется заменить, а это всего 3-6 лет службы. Может есть аккумуляторы дешевле?

Самые дешевые — свинцово-кислотные (которые естественно далеко не «зеленые»), их оптовая цена — 0.08$ за Вт*ч, соответственно, на сохранение дневной выработки нам нужно аккумуляторов на 0.64$, что снова больше стоимости самих солнечных батарей. Свинцовые аккумуляторы также быстро умирают, 3-6 лет службы в таком режиме. Ну и на десерт — КПД свинцовых аккумуляторов — 75% (т.е. четверть энергии теряется в цикле заряд-разряд).

Существует также вариант с гидроаккумулирующими электростанциями (днем — закачиваем воду «вверх» насосом, ночью — работаем как обычная гидроэлектростанция) — но их строительство также обходится дорого, и не везде возможно (КПД — до 90%).

Из-за того, что аккумуляторы получаются дороже самой солнечной электростанции, в крупных электростанциях их и не предусматривают, продавая электричество в распределительную сеть сразу по мере генерации, рассчитывая ночью и вечером на обычные электростанции.

Как развита солнечная энергетика в России

К сожалению, в нашей стране пока во всю жгут уголь, газ и нефть, и наверняка Россия будет в числе последних, кто полностью перейдёт на альтернативную энергетику.

На сегодняшний день солнечная генерация составляет всего 0,03% энергобаланса РФ. Для сравнения в той же Германии этот показатель составляет более 20%. Частные предприниматели не заинтересованы во вложении средств в солнечную энергетику из-за долгой окупаемости и не такой уж высокой рентабельности, ведь газ у нас обходится гораздо дешевле.

В экономически развитых Московской и Ленинградской областях солнечная активность на низком уровне. Там строительство солнечных электростанций просто нецелесообразно. А вот южные регионы довольно перспективны.

Так одной из крупнейших в нашей стране является Орская СЭС. Она состоит из 100 тыс. модулей, выдающих суммарную мощность 25 МВт. Выработанное электричество подаётся в Единую энергетическую систему России (ЕЭС).

Самой мощной сегодня является СЭС Перово, расположенная в Республике Крым. Она выдаёт более 105 МВт, что на момент открытия станции было мировым рекордом. СЭС Перово состоит из 440 000 фотоэлектрических модулей и занимает площадь 259 футбольных полей.

Вообще в Крыму солнечная энергетика неплохо развита – там более десятка солнечных электростанций мощностью от 20 МВт. Правда, вся полученная электроэнергия уходит сугубо на нужды полуострова.

К 2020 году в России планируется построить 4 крупных СЭС, мощность которых позволит увеличить долю солнечной энергии до 1% от всего энергобаланса страны.

А что думаете Вы о будущем солнечной энергетики?
Poll Options are limited because JavaScript is disabled in your browser.

Опрос из статьи: Солнечная энергетика

Таким образом, уже сегодня можно с уверенностью сказать, что солнечная энергетика способна в недалёкой перспективе выступить полноценной альтернативой традиционным способам получения электроэнергии. И даже в России эта отрасль хоть и медленно, но развивается.

Резюме

Поликристаллические солнечные батареи дают самое дешевое солнечное электричество, порядка 0.5$/Ватт, остальные способы намного дороже.

Проблема солнечной энергетики не в КПД солнечных элементов, не в EROEI (он действительно в теории бесконечен), и не в их цене — а в том, что сгенерированную энергию очень дорого хранить до вечера. Т.е. основная проблема — аккумуляторы, которые сейчас уже дороже, чем солнечные батареи и при этом имеют короткий срок службы (3-6 лет).

На данный момент крупномасштабную солнечную генерацию без аккумуляторов можно рассматривать только как способ сэкономить днем небольшую часть ископаемого топлива, она принципиально не может уменьшить количество необходимых классических электростанций (газовых, угольных, АЭС, гидро) — они все равно должны стоять в резерве днем, и полностью брать на себя нагрузку в вечерний пик потребления.

Если в будущем с помощью (жестоких) тарифов удасться сместить пик потребления на день — строительство солнечных электростанций обретет бОльший смысл (например, если тарифы будут такие, что будет выгодно включать электролизное производство алюминия и водорода только днем).

Стоимость «нерегулируемой» солнечной генерации нельзя сопоставлять со стоимостью генерации на классических электростанциях — т.к. они генерируют когда получится, а не когда нужно. Справедливая стоимость нерегулируемой солнечной электроэнергии должна быть равна стоимости сэкономленного ископаемого топлива, и не более — для газа по 450$ справедливая цена солнечной генерации не выше 0.1$ за 1кВт*ч (соответственно, в Германии солнечная генерация дотируется на ~50%).

«Честная» солнечная энергетика (с аккумуляторами) сегодня может быть экономически оправданна лишь в удаленных районах, где нет возможности подключиться к сети (как например в случае отдаленной, одиноко стоящей базовой станции сотовой связи).

Самая большая проблема солнечной энергетики — ископаемое топливо пока слишком дешевое, чтобы солнечная генерация была экономически оправданной.

Изготовление в домашних условиях

Для того чтобы готовая конструкция качественно выполняла свои функции и обеспечивала людей достаточным количеством электричества, необходимо правильно её изготовить. Для этого нужно учитывать много факторов и выбирать только высококачественные материалы.

Основные требования

Перед тем как своими руками сделать солнечную батарею, необходимо выполнить ряд подготовительных мероприятий и тщательно изучить все требования, предъявляемые к устройству. Это поможет получить работающую установку и упростить процесс её монтажа.

Чтобы солнечная панель работала на максимуме своих возможностей, необходимо соблюдать такие требования:

1. Готовое изделие отличается повышенной хрупкостью, поэтому его нужно защитить специальным каркасом.
2. Размер конструкции зависит от количества необходимой электроэнергии. При этом следует учитывать, что увеличение количества проводников приведёт к повышению массы батареи.
3. В корпусе устройства должны быть предусмотрены боковые бортики небольшой величины. Всё это нужно для того, чтобы отбрасываемая ими тень закрывала минимальное рабочее пространство батареи.
4. Конструкция устанавливается на открытом воздухе, поэтому будет подвергаться постоянному воздействию атмосферных явлений. Из-за этого внутренняя и внешняя часть корпуса должна быть покрыта качественной влагостойкой краской.
5. В каркасе необходимо предусмотреть место для изготовления подложки.
6. В нижней части панели нужно сделать небольшие отверстия для вентиляции. С их помощью будет выводиться газ, который образовывается в процессе работы батареи.

Материалы и инструменты

Наиболее важными деталями устройства считаются фотоэлементы. Производители предлагают покупателям только 2 их разновидности: из монокристаллического (КПД до 13%) и поликристаллического кремния (КПД до 9%).

Для изготовления панели понадобятся такие материалы и инструменты:

• набор фотоэлементов;
• крепёжные детали (метизы);
• вакуумные подставки из силикона;
• медные провода, способные работать при большой мощности;
• алюминиевые уголки;
• диоды Шоттки;
• паяльное оборудование;
• набор винтов;
• прозрачный лист из плексигласа или поликарбоната.

Порядок действий

Для того чтобы сделать солнечные батареи своими руками в домашних условиях, необходимо соблюдать последовательность действий. Только в этом случае можно избежать ошибок и добиться желаемого результата.

Процесс изготовления панели прост и состоит из следующих этапов:

Берётся набор поли- или монокристаллических фотоэлементов и детали собираются в общую конструкцию. Их количество определяется исходя из требований владельцев дома.
На фотоэлементы наносятся контуры, образующиеся из олова припаянные проводники. Эта операция выполняется на ровной стеклянной поверхности при помощи паяльника.
По заранее подготовленной электрической схеме соединяются друг с другом все ячейки. При этом обязательно нужно подключить шунтирующие диоды. Идеальным вариантом для солнечной батареи будет использование диодов Шоттки, предотвращающих разрядку панели в ночное время.
Конструкция из ячеек перемещается на открытое пространство и тестируется на работоспособность. При отсутствии каких-либо проблем можно начинать сборку каркаса.
Для этих целей используются специальные уголки из алюминия, которые крепятся к элементам корпуса при помощи метизов.
На внутренние части реек наносится и равномерно распределяется тонкий слой силиконового герметика.
Поверх него кладётся лист из плексигласа или поликарбоната и плотно прижимается к контуру рамы.
Конструкция оставляется на несколько часов для полного высыхания силиконового герметика.
Как только этот процесс завершился, прозрачный лист дополнительно крепится к корпусу при помощи метизов.
Вдоль всей внутренней части получившейся поверхности помещаются выбранные фотоэлементы с проводниками

При этом важно оставлять небольшое расстояние (примерно 5 миллиметров) между соседними ячейками. Для упрощения этой процедуры можно заранее нанести необходимую разметку.
Установленные ячейки надёжно фиксируются на раме с помощью монтажного силикона, а панель полностью герметизируется. Всё это поможет увеличить срок работы солнечной батареи.
Изделие оставляется для высыхания нанесённой смеси и приобретает свой окончательный вид.

Всё это поможет увеличить срок работы солнечной батареи.
Изделие оставляется для высыхания нанесённой смеси и приобретает свой окончательный вид.

Сколько нужно солнечных батарей для отопления дома

Казалось бы, все просто. На обогрев небольшого загородного коттеджа площадью 100 м² пойдет приблизительно 10 кВт = 10 000 Вт тепловой энергии. Это 100 панелей по 0.1 кВт или 34 больших модуля по 300 Вт. Столько батарей на крышу дома не поставишь, а о квартире и речи нет.

Сразу оговоримся, полученный результат – неправильный, поскольку не учитывает особенности эксплуатации солнечных энергетических систем:

1. Фотоэлектрический модуль выдает максимальную мощность, когда лучи падают под углом 90° к плоскости батареи. Если не сделать трекер – следящий механизм, поворачивающий панель вслед за движением солнца, потеряем около 40% энергии. С другой стороны, подобное устройство тоже расходует электричество.
2. Величина солнечного излучения на 1 м² – инсоляция – зависит от региона проживания, высоты над уровнем моря, затененности участка. Перечисленные факторы напрямую влияют на производительность батарей.
3. С течением времени полупроводниковое покрытие модулей деградирует, в результате теряется примерно 1% электрической мощности ежегодно.
4. Если фотоэлектрический слой перегревается солнцем, производительность панели тоже уменьшается.
5. Малая толика энергии теряется в сопутствующем оборудовании – инверторах, контроллерах, АКБ. Это банальный нагрев деталей – трансформаторов, микросхем и прочих элементов.
6. Когда рабочая поверхность загрязняется пылью либо засыпается снегом, возникают дополнительные потери.
7. Заметьте, для отопления солнцем зимой вырабатываемого электричества должно хватать на обогрев дома и зарядку аккумуляторов на ночь.

Вывод. Универсального расчета электрической мощности батарей, подходящего ко всем странам и регионам, не существует. Но озвученную выше цифру 10 кВт нужно удвоить (как минимум), чтобы получить пристойный результат на практике. Понадобится от 200 стоваттных панелей, занимающих площадь свыше 140 м².

Есть надежный способ получить точные данные по инсоляции и рассчитать производительность солнечных батарей – обратиться в местную организацию, занимающуюся их монтажом. Либо самому изучать карту инсоляции района.

На карте видно, что центральные регионы РФ получают довольно мало радиации солнца – в среднем 3–3.5 кВт на метр квадратный за день

Предлагаем пойти другим путем – использовать опыт владельцев солнечных автономных электростанций, почитать их отзывы на тематических форумах. Отыщите там пользователей, проживающих в вашей местности, если хотите получить реальные цифры бесплатно. Приведем примеры:

1. Автономная система солнечного электроснабжения, расположенная в Ленинградской области, РФ. Установлено 6 панелей по 0.22 кВт (всего 1.32 кВт), пиковая мощность в зимний безоблачный день – 1157 Вт. Тема обсуждается на известном русскоязычном форуме.
2. г. Анапа, производительность батарей – 2.2 кВт, количество не указывается. За световой день электростанция генерирует порядка 9 кВт.
3. г. Москва, мощность СЭС 2.64 кВт. За весь июнь установка выработала 304 кВт энергии.

Обратите внимание: нами учитывалась только солнечная энергия для отопления, подогрев воды и прочие хозяйственные нужды в расчет не принимались. Как рассчитать число батарей на практике, смотрите в видеосюжете:. Watch this video on YouTube

Watch this video on YouTube

Солнечная кухня

Солнечная жаровня

Основная статья: Солнечная печь

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 простейшей «солнечной кухни» составляет $3—$7.

Традиционные очаги для приготовления пищи имеют термическую эффективность около 10 %. В развивающихся странах для приготовления пищи активно используются дрова. Использование дров для приготовления пищи приводит к массированной вырубке лесов и вреду для здоровья. Например, в Индии от сжигания биомассы ежегодно поступает в атмосферу более 68 млн тонн СО₂. В Уганде среднее домохозяйство ежемесячно потребляет 440 кг дров. Домохозяйки при приготовлении пищи вдыхают большое количество дыма, что приводит к увеличению заболеваемости дыхательных путей. По данным Всемирной организации здравоохранения в 2006 году в 19 странах южнее Сахары, Пакистане и Афганистане от заболеваний дыхательных путей умерло 800 тысяч детей и 500 тысяч женщин.

Существуют различные международные программы распространения солнечных кухонь. Например, в г. Финляндия и Китай заключили соглашение о поставках 19 000 солнечных кухонь в 31 деревню Китая. Это позволит сократить выбросы СО₂ на 1,7 млн тонн в 2008—2012 гг. В будущем Финляндия сможет продавать квоты на эти выбросы.