Использование солнечной энергии на Земле

Энергия солнца – это всего лишь поток фотонов. И вместе с тем это – один из основополагающих факторов, обеспечивающих само существование жизни в нашей биосфере. Поэтому вполне естественно, что солнечный свет активно используется человеком не только в климатическом аспекте, но и в качестве альтернативного источника энергии.

Где используется солнечная энергия

Сфера применения энергии солнца очень обширна, и с каждым годом она становится все больше. Так, еще совсем недавно дачный душ с солнечным нагревателем воспринимался как нечто необыкновенное, а возможность использования солнечного света для домашних электросетей и вовсе казалась фантастикой. Сегодня же никого не удивишь не только автономной гелиостанцией, но и мобильными зарядками на солнечных батареях и даже мелкой техникой (например, часами), работающей на фотогальваническом эффекте.

Энергия солнца – это всего лишь поток фотонов. И вместе с тем это – один из основополагающих факторов, обеспечивающих само существование жизни в нашей биосфере. Поэтому вполне естественно, что солнечный свет активно используется человеком не только в климатическом аспекте, но и в качестве альтернативного источника энергии.

Где используется солнечная энергия

Сфера применения энергии солнца очень обширна, и с каждым годом она становится все больше. Так, еще совсем недавно дачный душ с солнечным нагревателем воспринимался как нечто необыкновенное, а возможность использования солнечного света для домашних электросетей и вовсе казалась фантастикой. Сегодня же никого не удивишь не только автономной гелиостанцией, но и мобильными зарядками на солнечных батареях и даже мелкой техникой (например, часами), работающей на фотогальваническом эффекте.

Вообще же использование солнечной энергии очень востребовано в таких областях, как:

• Сельское хозяйство;
• Энергоснабжение санаториев и пансионатов;
• Космическая отрасль;
• Природоохранная деятельность и экотуризм;
• Электрификация отдаленных и сложнодоступных регионов;
• Уличное, садовое и декоративное освещение;
• Сфера ЖКХ (ГВС, придомовое освещение);
• Мобильная техника (гаджеты и зарядные модули на солнечных батареях).

Ранее энергия солнца использовалась главным образом в космической отрасли (энергоснабжение спутников, станций и т.д.) и в промышленности, но со временем альтернативную энергетику начали активно развивать и в быту. Одними из первых объектов, оснащенных солнечными установками, стали южные пансионаты и санатории, особенно расположенные в уединенных районах.

Солнечные установки и их преимущества

Успешное применение первых гелиомодулей доказало, что энергия солнечных лучей обладает массой преимуществ перед традиционными источниками. Ранее главными достоинствами гелиоустановок называли лишь экологичность и неисчерпаемость (а также бесплатность) солнечного света.

Но на самом деле список достоинств гораздо шире:

• Автономность, так как не требуется никаких внешних энергокоммуникаций;
• Стабильность подачи питания, в силу специфики солнечный ток не подвержен скачкам напряжения;
• Экономичность, так как средства тратятся только один раз, при монтаже установки;
• Солидный ресурс эксплуатации (свыше 20 лет);
• Всесезонное использование, солнечные установки эффективно работают даже в морозы и облачную погоду (с незначительным снижением КПД);
• Простота и удобство сервисного обслуживания, так как требуется только изредка очищать лицевые стороны панелей от загрязнений.

Единственным недостатком можно назвать только зависимость от солнца и тот факт, что такие установки не работают ночью. Но эта проблема решается за счет подключения специальных аккумуляторов, в которых накапливается выработанная за день энергия солнечного света.

Фотоэнергия

Фотоэнергия – это один из двух способов использования излучения солнца. Это постоянный ток, вырабатываемый под действием солнечных лучей. Происходит такое преобразование в так называемых фотоячейках, которые, по сути, представляют собой двухслойную структуру из двух полупроводников разного типа. Нижний полупроводник относится к p-типу (с недостатком электронов), верхний – к n-типу с избытком электронов.

Электроны n-проводника поглощают энергию падающих на них лучей солнца и покидают свои орбиты, причем энергетического импульса достаточно для того, чтобы они перешли в зону p-проводника. При этом образуется направленный электронный поток, называемый фототоком. Иными словами, вся структура работает как своеобразные электроды, в которых под воздействием солнца генерируется электроэнергия.

Для производства таких фотоячеек применяют кремний. Объясняется это тем, что кремний во-первых, широко распространен, а во-вторых, его промышленная обработка не требует больших затрат.

Фотоячейки из кремния бывают:

• Монокристаллическими. Изготавливаются из монокристаллов и отличаются равномерной структурой с чуть более высоким КПД (примерно 20%), но при этом дороже стоят.
• Поликристаллическими. Имеют неравномерную структуру за счет использования поликристаллов и несколько более низкий КПД (15-18%), но гораздо дешевле моновариантов.
• Тонкопленочными. Изготавливаются методом напыления аморфного кремния на тонкопленочную подложку. Отличаются гибкой структурой и самой низкой себестоимостью производства, однако имеют вдвое больше габариты по сравнению с кристаллическими аналогами той же мощности.

Сферы применения каждого типа ячеек весьма обширны и определяются их эксплуатационными особенностями.

Солнечные коллекторы

Гелиоколлекторы также используются как преобразователи солнечной энергии, но принцип их действия совершенно иной. Они преобразуют падающий свет не в электрическую, а в тепловую энергию за счет нагрева жидкого теплоносителя. Применяют их либо для ГВС, либо для отопления домов. Главный элемент любого коллектора – абсорбер, он же – теплопоглотитель. Абсорбер представляет собой либо плоскую пластину, либо трубчатую вакуумированную систему, внутри которой циркулирует теплоноситель (это или простая вода, или антифриз). Причем абсорбер обязательно красится в черный цвет специальной краской для увеличения коэффициентов поглощения.

Именно по типу абсорберов коллекторы делят на плоские и вакуумные. У плоских теплопоглотитель выполняют в виде металлической пластины, к которой снизу припаян металлический же змеевик с теплоносителем. У вакуумных абсорбер изготавливается их нескольких соединенных между собой на концах стеклянных трубок. Трубки делают двойными, между стенками создают вакуум, а внутри помещают стержень с теплоносителем. Все стержни сообщаются между собой посредством специальных соединителей в местах стыков труб.

Абсорберы обоих типов помещают в прочный легкий корпус (обычно – из алюминия или ударопрочных пластиков) и надежно теплоизолируют от стенок. Лицевая же сторона корпуса закрывается прозрачным ударостойким стеклом с максимальной проницаемостью для фотонов. Это обеспечивает лучшее поглощение солнечной энергии.

Особенности функционирования

Принцип работы обоих типов коллекторов аналогичен. Нагреваясь в коллекторе до высоких температур, теплоноситель проходит по соединительным шлангам в теплообменный бак, который наполнен водой. Через бак он проходит по змеевидной трубке, отдавая свое тепло воде. Остывший теплоноситель выходит из бака и подается обратно в коллектор. По сути, это – своеобразный «солнечный» кипятильник», только вместо нагревательной спирали используется змеевик в баке, а вместо электросети – солнечный свет.

Конструктивные различия определяют и разницу в применении вакуумных и плоских коллекторов. Использование солнечного излучения при помощи вакуумных моделей возможно круглый год, в том числе и зимой, и в межсезонье. Плоские же варианты лучше работают в летний период. Однако они дешевле и проще вакуумных, поэтому оптимально подходят именно для сезонных целей.

Солнечная энергия в городах (экодома)

Гелиоэнергетика активно применяется не только для частных домов, но и для городских строений. Как человек использует солнечную энергию в мегаполисах, догадаться не сложно. Она также применяется для обогрева и ГВС зданий, причем нередко – целых кварталов.

В последние годы активно развиваются и воплощаются концепции экодомов, полностью работающих на альтернативных источниках энергии. В них используются комбинированные системы, обеспечивающие эффективное получение солнечной, ветровой и тепловой энергии земли. Нередко такие дома не только целиком покрывают свои энергетические нужды, но и передают излишки в городские сети. Причем совсем недавно проекты таких экозданий появились и в России.

Гелиостанции и их виды

В южных регионах с высокой инсоляцией строят не просто отдельные гелиоустановки, но целые станции, вырабатывающие энергию в промышленных масштабах. Количество солнечной энергии, производимое ими, весьма велико и многие страны с подходящим климатом уже начали постепенный перевод всей энергосистемы на такой альтернативный вариант. По принципу работу станции делят на фототермические и фотоэлектрические. Первые работают по методу коллекторов и подают в дома разогретую воду для ГВС, вторые же вырабатывают непосредственно электричество.

Существует несколько видов гелиостанций:

• Башенные. Позволяют получать сверхнагретый водяной пар, подаваемый на генераторы. В центре станции базируется башня с водным резервуаром, вокруг нее размещают гелиостаты (зеркальные), которые фокусируют лучи на резервуаре. Это достаточно эффективные станции, главный их недостаток – сложность точного позиционирования зеркал.
• Тарельчатые. Состоят из приемника гелиоэнергии и отражателя. Отражатель – тарелкообразное зеркало, концентрирующее излучение на приемнике. Такие концентраторы солнечной энергии располагаются на небольшом удалении от приемника, а их количество определяется требуемой мощностью установки.
• Параболические. Трубки с теплоносителем (обычно – маслом) помещают в фокусе длинного параболического зеркала. Разогретое масло отдает тепло воде, та вскипает и вращает генераторы.
• Аэростатные. По сути, это самые эффективные и мобильные гелиостанции на Земле. Их главный элемент – аэростат с фотоэлектрическим слоем, наполненный водяным паром. Он поднимается высоко в атмосферу (обычно выше облаков). Разогретый пар из шара по гибкому паропроводу подается на турбину, на выходе из нее конденсируется и вода насосом поднимается обратно в шар. Попав в шар, вода испаряется и цикл продолжается.
• На фотобатареях. Это уже привычные всем установки на солнечных батареях, которые используются для частных домов. Они обеспечивают получение электроэнергии и подогрев воды в нужных объемах.

Сегодня разного рода гелиостанции (в том числе и комбинированные, объединяющие несколько типов) играют все большую роль в энерговыработке многих стран. А некоторые государства перестраивают свою энергетику таким образом, чтобы через несколько лет вообще практически полностью перейти на альтернативные системы.