Использование энергии солнечного света в современном мире

Солнечная энергия – это один из самых доступных и общераспространенных возобновляемых источников энергии. Она образуется естественным путем, без участия человека, а значит, абсолютно бесплатна. Кроме того, солнечное излучение безопасно в использовании и не оказывает никакого вредного воздействия на экологию. А возможности его применения (как и потенциал) практически безграничны.

Как используется солнечное излучение

Энергия Солнца жизненно необходима для подавляющего числа живых организмов. Но она очень важна и для многих сфер человеческой деятельности. Запасы ископаемых энергоресурсов постепенно тают, а проблема загрязнения экосферы приобретает все большую остроту. Поэтому неудивительно, что гелиоэнергия широко используется во многих областях, а ее значение с каждым годом становится все весомее.

В биосфере

Значение солнечного излучения для живой природы сложно переоценить. Ведь энергия Солнца – это не только важнейший климатообразующий фактор и главное условие наличия биосферы. Именно она отвечает за непрерывные перемещения воздушных масс и однородность состава атмосферы. Кроме того, без Солнца на Земле не существовали бы зеленые растения. А значит, не было бы и кислорода. Ведь именно благодаря фототрофам (организмам, использующим энергию солнечного света для фотосинтеза) атмосфера планеты пригодна для дыхания.

В техносфере

Именно гелиоустановки позволяют электрифицировать отдаленные и труднодоступные регионы или значительно снизить расходы на обогрев частного дома. Неслучайно в последние годы все больше внимания уделяется разного рода проектам, направленным на максимально эффективное питание солнечной энергией не только отдельных домов, но и целых городских кварталов.

Например, в Европе все большую популярность приобретают так называемые экодома и экогорода. Суть концепции в том, что на крыше размещаются солнечные источники питания, которые полностью перекрывают энергопотребление здания. При этом строение обязательно должно быть ориентировано по солнцу и спроектировано таким образом, чтобы максимально эффективно использовать полученную энергию. Расположение окон, теплоизоляция, системы вентиляции и тепловые нагрузки, — все это тщательно рассчитывается на стадии проектирования. Многие экодома не только полностью обеспечивают себя энергией и горячей водой, но и передают излишки электричества в городские коммуникации.

Преимущества солнечных установок

Несомненно, что у гелиостанций есть масса достоинств, главными из которых являются:

• неисчерпаемость и бесплатность солнечного излучения;
• абсолютная безопасность использования;
• полная автономность, поскольку такие источники энергии не требуют никаких подключений к внешним питающим магистралям;
• экономичность, при наладке гелиоустановки средства расходуются только на закупку оборудования и его монтаж;
• стабильность энергоснабжения, в силу специфики солнечных батарей в них отсутствуют скачки напряжения;
• значительный рабочий ресурс (более 20лет);
• простота обслуживания, все сервисные работы сводятся главным образом к регулярной очистке рабочих панелей солнечных модулей.

Основным недостатком подобных установок является их зависимость от погодных условий. Но эта проблема достаточно легко решается при помощи монтажа аккумуляторных батарей, в которых накапливается выработанная энергия.

Сферы применения гелиоэнергии

С каждым годом солнечная энергия используется все шире. Если раньше она применялась в основном для нагрева воды в летних душах или в дачных домиках, то сегодня гелиомодули снабжают электричеством и горячей водой не только городские здания, но и промышленные объекты (например, завод Seat в Испании).

Солнечные установки и фотоячейки активно используются:

• в сельском хозяйстве (энергообеспечение теплиц, поливочных комплексов, защитных устройств и т.д.);
• в энергоснабжении спорткомплексов, санаториев, пансионатов и т.д.;
• в космической промышленности;
• в экотуризме и природоохранной сфере (лодки, на которых установлены солнечные источники питания, могут перемещаться по любым заповедным акваториям, так как они не создают вредных выхлопов);
• в морских портах;
• в уличном и садовом освещении;
• в электрификации труднодоступных областей;
• в коммунальном хозяйстве (ГВС, отопление, электроснабжение);
• в быту (для зарядки ноутбуков, телефонов и прочей техники).

Примечательно, что многие думают, будто бы такое применение солнечной энергии началось совсем недавно. На самом же деле гелиопанели использовали еще в начале 1980-х. Например, под Судаком (в Крыму) сохранилось здание, которое должно было стать спортивным центром для дайверов. Построено оно свыше 30-ти лет назад. На крыше сооружения располагался целый комплекс солнечных модулей, и по расчетам он должен был обеспечивать полную энергонезависимость центра. Однако здание не успели закончить до начала перестройки и оно оказалось заброшенным.

Особенности использования солнечной энергии

Сегодня солнечное излучение используется в основном в двух направлениях: для непосредственного преобразования в электроэнергию (фотоэлементы) и для нагрева воды (солнечные коллекторы).

О фотоэлементах

Преобразование солнечной энергии в электрическую происходит в так называемых фотоячейках (они же – «солнечные батареи»). Главным элементом такой батареи двухслойная структура из полупроводниковых материалов с разным типом проводимости. Под действием солнечного света сконцентрированные у границы слоев разноименные заряды начинают направленное движение и возникает электроток. Иными словами, полупроводники начинают работать как своеобразные электроды. Причем никаких химических реакций при этом не происходит, а значит, структура способна функционировать очень долго.

В массовом производстве для изготовления таких ячеек используют поли- и монокристаллический кремний с различными примесями. Моноячейки обладают большей производительностью, но сильнее зависят от освещенности. Эффективность же поликристаллических батарей немного ниже, но они стоят дешевле и не так подвержены влиянию погодных условий.

О коллекторах

За преобразование солнечной энергии в тепловую отвечают особые устройства, называемые солнечными коллекторами. Они подразделяются на три вида:

• плоские;
• вакуумные;
• воздушные.

Принцип работы первых двух типов коллекторов, по сути, одинаков. Теплоноситель (антифриз или же вода) проходит через нагревательный модуль коллектора и разогревается до определенной температуры. Затем он поступает в заполненный водой бак-теплообменник, отдает накопленную энергию и возвращается в коллектор. Нагретая же вода подается в контуры ГВС или системы отопления дома.

Главное различие между вакуумными и плоскими коллекторами заключается в конструкции нагревательного модуля или абсорбера. В плоских устройствах он имеет вид черной пластины, к внутренней плоскости которой присоединена змеевидная трубка для теплоносителя. В вакуумных же абсорбер представляет собой систему вакуумированных стеклянных трубок, внутри которых находятся стержни с теплоносителем.

Плоские коллекторы более дешевы, но они наиболее эффективно работают только в ясную погоду. Вакуумные модели дороже, но могут использоваться и в пасмурные дни, и при минусовой температуре, несмотря на то, что в таких условиях их производительность снижается. Однако если планируется использование солнечной энергии для дома только в летний период, то вполне можно остановиться и на плоском устройстве.

В воздушном коллекторе в качестве абсорбера также устанавливается пластина из хорошо проводящего тепло металла. Однако в отличие от двух других видов, в нем нет никаких трубок. Солнечная энергия нагревает не жидкий теплоноситель, а непосредственно воздух под абсорбером. Причем для увеличения теплообмена пластина абсорбера делается ребристой. Такие устройства применяют в контурах воздушного отопления и рекуперации воздуха, а также в осушительных аппаратах.

Солнечная энергетика в России

Россия обладает значительным потенциалом по использованию солнечной энергии. Показатели инсоляции (количества солнечной радиации) во многих регионах практически совпадают с севером Испании и югом Германии, а ведь именно эти области сегодня являются одними из лидеров по внедрению гелиостанций. В РФ высокая инсоляция наблюдается не только на южных территориях (Северный Кавказ, Краснодарский край), но и в центральных областях, а также на значительной части юга Сибири и Дальнего Востока. Это означает, что солнечная энергия в России является одним из самых перспективных возобновляемых источников.

Самая крупная на сегодняшний день российская гелиостанция расположена в Дагестане (г. Каспийск). Планируется, что после запуска всех мощностей, намеченного на май 2014г., энерговыработка объекта составит 8-9млн кВт/ч в год. При этом в Дагестане продолжаются работы по возведению новых солнечных источников питания (в Хунзахском районе).

Таким образом, сегодня этот регион является одним из наиболее перспективных направлений развития гелиоэнергетики. Связано это не только с высокой инсоляцией (до 300 ясных дней в году), но и с особенностями рельефа местности, так как прокладка «классических» энергокоммуникаций в горных регионах очень сложна (а зачастую и невозможна).

Кроме того, активно реализуются проекты по установке гелиомодулей в Алтайской республике, в Сибири и на Ставрополье. По прогнозам к 2020г. суммарная выработка солнечной энергии на этих объектов должна составлять до 2ГВт. Более того, в последние годы в России появилось множество фирм, которые реализуют гелиобатареи и сопутствующее оборудование для частных домов. Как правило, они предлагают продукцию иностранных компаний, но некоторые предприятия выпускают и свои изделия.