Сонячна енергетика

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Сонячна електростанція у Харківській області

Сонячна енергетика — використання сонячної енергії для отримання енергії в будь-якому зручному для її використання вигляді. Сонячна енергетика використовує поновлюване джерело енергії і в перспективі може стати екологічно чистою, тобто такою, що не виробляє шкідливих відходів.

На сьогодні сонячна енергетика широко застосовується у випадках, коли малодоступність інших джерел енергії в сукупності з достатньою кількістю сонячного випромінювання виправдовує її економічно.

Пральня, що використовує для роботи сонячну енергію

Сонячна енергія, на поверхні Землі[ред.ред. код]

Мапа сонячного випромінювання

Потік сонячного випромінювання, що проходить через площу 1 м², розташовану перпендикулярно потоку випромінювання на відстані однієї астрономічної одиниці від центру Сонця (тобто зовні атмосфери) Землі, дорівнює 1367 Вт/м² (сонячна постійна).

Через поглинання атмосферою Землі, максимальний потік сонячного випромінювання на рівні моря — 1020 Вт/м². Середньодобове значення потоку сонячного випромінювання як мінімум в три рази менше (через зміни дня і ночі і зміни кута сонця над горизонтом). Взимку в помірних широтах це значення в два рази менше. Ця кількість енергії з одиниці площі визначає можливості сонячної енергетики.

Перспективи сонячної енергетики також зменшуються внаслідок глобального затемнення — антропогенного зменшення сонячного випромінювання, що доходить до поверхні Землі.

Способи отримання електрики і тепла з сонячного випромінювання[ред.ред. код]

  • Отримання електроенергії за допомогою фотоелементів. Для цієї мети застосовують кремнієві сонячні батареї, ККД яких доходить до 20 %. Але вартість отримання чистого кремнію досить велика. Кремній, в якому на 10 кг продукту припадає не більше 1 грама домішок коштує стільки ж, скільки збагачений уран для електростанцій, хоча запаси останнього в 100 000 разів менше запасів кремнію. У той же час, «хорошого» кремнію у світі добувають в 6 разів менше, ніж такого ж урану.[1]

З однієї тонни піску, в якому міститься 500 кг кремнію отримують 50-90 кг сонячного сіліціума. При цьому на отримання 1 кг витрачається близько 250 кВт-годин електроенергії.[1] За новою технологією, розробленою німецькою фірмою Siemens ще в 1979 р. енерговитрати падають на порядок, і вихід продукту збільшується в 10-15 разів. Вартість отримання кремнію при цьому падає до 10-15 $ за кілограм.[1] Простий пісок для цієї технології не підходить. Тут потрібні «особливо чисті кварцити», поклади яких в значному обсязі, в основному, знаходяться в Росії.

Такі батареї можна встановлювати на супутниках, автомобілях, крилах літака, вмонтувати їх елементи в годинники, калькулятор, ноутбук. Термін їх служби становить 30 років.[1] За цей час елемент, на виготовлення якого пішов 1 кг сонячного кремнію, може дати стільки ж електроенергії, скільки її може бути отримано при використанні 100 т нафти на ТЕС або 1 кг збагаченого урану на АЕС.[1]

При другому методі встановлюються на території в кілька тисяч квадратних метрів дзеркала-геліостати, які повертаючись слідом за сонцем направляють промені сонячного світла на ємність з теплоприймачем (водою). Вода нагрівається, перетворюється в пару, яка крутить турбіну, а остання обертає генератор струму.

  • Геліотермальна енергетика — нагрівання поверхні, що поглинає сонячні промені і подальший розподіл і використання тепла (фокусування сонячного випромінювання на ємності з водою для подальшого використання нагрітої води в опалюванні або в парових електрогенераторах).

Сонячну енергію можна використовувати для отримання тепла безпосередньо без перетворення в електричну. Установки, які збирають, зберігають і передають тепло, називаються сонячними колекторами. При цьому, на даху будинку, або на його південній стороні встановлюється панель, що складається з трубочок, по яких в спеціальний бак-акумулятор подається вода. Сонце нагріває воду в трубах до 60-70 С, яка накопичується в баку, а звідти надходить для обігріву або гарячого водопостачання.

  • «Сонячне вітрило» може в безповітряному просторі перетворювати сонячні промені в кінетичну енергію.
  • Термоповітряні електростанції (перетворення сонячної енергії в енергію повітряного потоку, що направляється на турбогенератор).
  • Сонячні аеростатні електростанції (генерація водяної пари усередині балона аеростата за рахунок нагрівання сонячним випромінюванням поверхні аеростата, покритої селективно-поглинаючим покриттям). Перевага — запасу пари в балоні достатньо для роботи електростанції в темний час доби і хмарну погоду.

Переваги сонячної енергетики[ред.ред. код]

  • Загальнодоступність і невичерпність джерела.
  • Теоретично, повна безпека для навколишнього середовища (проте в наш час[Коли?] у виробництві фотоелементів і в них самих використовуються шкідливі речовини).

Недоліки сонячної енергетики[ред.ред. код]

Фундаментальні проблеми[ред.ред. код]

  • Через відносно невелику величину сонячної постійної для сонячної енергетики потрібне використання великих площ землі під електростанції (наприклад, для електростанції потужністю 1 Гвт це може бути декілька десятків квадратних кілометрів). Проте, цей недолік не такий великий, наприклад, гідроенергетика виводить з користування значно більші ділянки землі. До того ж фотоелектричні елементи на великих сонячних електростанціях встановлюються на висоті 1,8—2,5 метра, що дозволяє використовувати землі під електростанцією для сільськогосподарських потреб, наприклад, для випасу худоби.

Проблема знаходження великих площ землі під сонячні електростанції вирішується у разі застосування сонячних аеростатних електростанцій, придатних як для наземного, так і для морського і для висотного базування.

  • Потік сонячної енергії на поверхні Землі сильно залежить від широти і клімату. У різних місцевостях середня кількість сонячних днів в році може дуже сильно відрізнятися.

Технічні проблеми[ред.ред. код]

  • Сонячна електростанція не працює вночі і недостатньо ефективно працює у ранкових і вечірніх сутінках. При цьому пік електроспоживання припадає саме на вечірні години. Крім того, потужність електростанції може стрімко і несподівано коливатися через зміни погоди. Для подолання цих недоліків потрібно або використовувати ефективні електричні акумулятори (дотепер це невирішена проблема), або будувати гідроакумулюючі станції, які теж займають велику територію, або використовувати концепцію водневої енергетики, яка також поки далека від економічної ефективності.

Проблема залежності потужності сонячної електростанції від часу доби і погодних умов вирішується у разі сонячних аеростатних електростанцій.

  • Висока ціна сонячних фотоелементів. Ймовірно, з розвитком технології цей недолік подолають. В 19902005 рр. ціни на фотоелементи знижувалися в середньому на 4 % на рік.
  • Недостатній ККД сонячних елементів (ймовірно, буде незабаром збільшений).
  • Поверхню фотопанелей потрібно очищати від пилу і інших забруднень. При їх площі в декілька квадратних кілометрів це може викликати утруднення.
  • Ефективність фотоелектричних елементів помітно падає при їх нагріванні, тому виникає необхідність в установці систем охолоджування, зазвичай водяних.
  • Через 30 років експлуатації ефективність фотоелектричних елементів починає знижуватися.

Екологічні проблеми[ред.ред. код]

  • Незважаючи на екологічну чистоту отримуваної енергії, самі фотоелементи містять отруйні речовини, наприклад, свинець, кадмій, галій, миш'як і т. д., а їх виробництво споживає масу інших небезпечних речовин. Сучасні фотоелементи мають обмежений термін служби (30—50 років), і масове їх застосування поставить найближчим часом складне питання їх утилізації.

Останнім часом починає активно розвиватися виробництво тонкоплівкових фотоелементів, у складі яких міститься всього близько 1 % кремнію. Завдяки низькому вмісту кремнію тонкоплівкові фотоелементи дешевші у виробництві, але поки мають меншу ефективність. Так, наприклад, в 2005 р. компанія «Shell» ухвалила рішення сконцентруватися на виробництві тонкоплівкових елементів, і продала свій бізнес по виробництву кремнієвих фотоелектричних елементів.

Освітлення будівель[ред.ред. код]

Світловий колодязь в Пантеоні, Рим.

За допомогою сонячного світла можна освітлювати приміщення в денний час доби. Для цього застосовуються світлові колодязі. Простий варіант світлового колодязя — отвір у стелі.

Світлові колодязі застосовуються для освітлення приміщень, що не мають вікон: підземні гаражі, станції метро, промислові будівлі, склади, в'язниці, і т.д

Сонячна термальна енергетика[ред.ред. код]

Сонячна енергія широко використовується як для нагрівання води, так і для виробництва електроенергії. Сонячні колектори виготовляються з доступних матеріалів: сталь, мідь, алюміній і т. д., тобто без застосування дефіцитного і дорогого кремнію. Це дозволяє значно скоротити вартість устаткування, і отриманої на ньому енергії.

Сонячні теплові колектори Інформаційним управлінням з енергетики США підрозділяються на низько-, середньо-, і високотемпературні колектори. Низькотемпературні колектори є плоскими плитами і звичайно використовується для підігріву плавальних басейнів. Середньотемпературні колектори також, як правило, плоскі плити, але використовуються для підігріву води для житлового та комерційного використання. Високотемпературні колектори концентрують сонячні промені за допомогою дзеркал і лінз і, як правило, використовуються для виробництва електроенергії.

Сонячна енергія для обігріву, охолодження, вентиляції та технологічних потреб може бути використана для покриття частини витрат на енергію. Теплова маса матеріалів зберігає сонячну енергію протягом дня, і звільняє цю енергію коли стає холодніше. Загалом до теплової маси відносяться кам'яні матеріали, бетон і вода. При розміщенні теплових мас слід розглянути низку факторів, таких як клімат, рівень денного світла, тіней та інших умов. За умов правильно підключення теплові маси можуть пасивно підтримувати комфортну температуру при скороченні споживання. Теплова енергія маси ґрунту також може бути використана для зберігання тепла між сезонами і дозволяє використати сонячну теплову енергію для опалення приміщень у зимовий час.

Сонячна теплова енергія як активне сонячне опалення. Типова конструкція побутової сонячної системи опалення складається з сонячної панелі (або сонячного колектору) з теплообмінною рідиною, що проходить через нього, транспортуючи зібрану теплову енергію для корисного застосування, як правило, до гарячої води цистерни або домашніх радіаторів. Сонячні панелі розташовані в місці з гарним рівнем освітлення протягом дня, найчастіше на даху будівлі. Насос штовхає теплообмінну рідину (часто щойно очищену воду) за допомогою панелі управління. Тепло таким чином збирається та передається на зберігальний контейнер.

Також можливо використовувати пасивне сонячне опалення, не потребуючи електричного або механічного обладнання, і може розраховувати на дизайн і структура будинку для збирання, зберігання і розподілення тепла по будівлі. Деякі пасивні системи використовують незначну кількість звичайної енергії для управління заслінками, ставнями, нічними ізоляційними та іншими пристроями, що підвищують рівень збору, зберігання, використання та зниження небажаного теплообміну сонячної енергії.

У 2001 році вартість електроенергії, отриманої в сонячних колекторах становила $0,09-$0,12 за кВт·год. Департамент Енергетики США прогнозує, що вартість електроенергії, вироблюваної сонячними концентраторами знизиться до $0,04-$0,05 в 2015—2020 рр.

У 2007 році в Алжирі почалося будівництво гібридних електростанцій. У денний час доби електроенергія виготовляється параболічними концентраторами, а вночі з природного газу.

Сонячна кухня[ред.ред. код]

Сонячна жаровня

Сонячні колектори можуть застосовуватися для приготування їжі. Температура в фокусі колектора досягає 150 °С. Такі кухонні прилади можуть широко застосовуватися в країнах, що розвиваються. Вартість матеріалів необхідних для виробництва «сонячної кухні» становить $3 — $7. У країнах, що розвиваються, для приготування їжі активно використовуються дрова.

Традиційні вогнища для приготування їжі мають термічну ефективність близько 10 %. Використання дрів для приготування їжі приводить до масованої вирубки лісів.

Існують різні міжнародні програми розповсюдження сонячних кухонь. Наприклад, у 2008 р. Фінляндія і Китай уклали угоду про постачання 19 000 сонячних кухонь в 31 село Китаю. Це дозволить скоротити викиди СО2 на 1,7 млн тон у 2008—2012 рр. В майбутньому Фінляндія зможе купувати квоти на ці викиди.

Використання сонячної енергії в хімічному виробництві[ред.ред. код]

Сонячна енергія може застосовуватися в різних хімічних процесах. Наприклад:

  • Ізраїльський Weizmann Institute of Science у 2005 році випробував технологію отримання неокисленого цинку у сонячній башті. Оксид цинку у присутності деревного вугілля нагрівався дзеркалами до температури 1200 °С на вершині сонячної башти. В результаті процесу отримувався чистий цинк. Далі цинк можна герметично упакувати і транспортувати до місць виробництва електроенергії. На місці цинк поміщається у воду, в результаті хімічної реакції виходить водень і оксид цинку. Оксид цинку можна ще раз помістити в сонячну башту і отримати чистий цинк. Технологія пройшла випробування в сонячній башті канадського Institute for the Energies and Applied Research.
  • Швейцарська компанія Clean Hydrogen Producers (CHP) розробила технологію виробництва водню з води при допомозі параболічних сонячних концентраторів. Площа дзеркал установки становить 93 м². У фокусі концентратора температура досягає 2200°C. Вода починає розділятися на водень і кисень при температурі більш 1700 °С. За світловий день 6,5 годин (6,5 кВт·год/кв.м.) установка CHP може розділяти на водень і кисень 94,9 літрів води. Виробництво водню складе 3800 кг в рік (близько 10,4 кг в день).

Водень може бути збережений на значний час, та використовуватися за потребою для виробництва електроенергії за допомогою паливних елементів, або як паливо для автотранспорту.

Сонячний транспорт[ред.ред. код]

Пілотований літак на сонячних батареях HB-SIA, перед першим тестовим польотом, 3 грудня 2009

Фотоелектричні елементи можуть встановлюватися на різних транспортних засобах: човнах, електромобілях і гібридних автомобілях, літаках, дирижаблях і т. д.

Фотоелектричні елементи виробляють електроенергію, яка використовується для бортового живлення транспортного засобу, або для електродвигуна електричного транспорту.

В Італії і Японії фотоелектричні елементи встановлюють на дахи ж/д потягів. Вони проводять електрику для кондиціонерів, освітлення і аварійних систем.

7-8 липня в Швейцарії відбувся тестовий політ літака на сонячних батареях HB-SIA, який протримався в повітрі рекордні 26 годин.

Цікаві факти[ред.ред. код]

  • В Данії за рахунок сонячної енергії, яка, в основному, використовується для вироблення тепла в приватному секторі, покривається від 1/3 до 3/4 потреби в кожному житловому будинку, а ціна на електроенергію регулюється Міністерством енергетики, і, станом на 2005 рік, становила по курсу до російського рубля 11руб./кВт-г.[3]
  • У Німеччині до 70 % витрат на «соляризацію» будинків компенсує держава. Крім того, воно купує у власників «сонячних дахів» електрику за цінами, що сильно перевищують ринкові. Тобто, коли вдень будинок виробляє енергії багато, а споживає мало, її надлишки йдуть в міську мережу і господар отримує 80 центів за кожен зданий кВт-год. Вночі ж він сам купує електрику в тій же самій мережі, але вже по 20 центів за кВт год. У країні обладнають сонячними елементами по 0,5 млн квадратних метрів дахів в рік.[1]
  • В Австралії вже понад 19 років проводяться щорічні перегони на сонячних електромобілях на трасі між містами Дарвін і Аделаїда (3000 км). У 1990 році компанія «Sanio» побудувала літак на сонячних батареях, який перетнув всю Америку.[1]
  • У США діє кілька гібридних сонячно-теплових електростанцій загальною потужністю понад 600 МВт. Вдень вони працюють від сонця, а вночі від газу. Температура пари до 370 С, а тиск — 100 атмосфер.[1]
  • У СРСР перша промислова сонячна електростанція СЕС-5 була побудована в Криму в 1985 р. близько міста Щолкіне. Вона мала потужність 5 МВт, тобто таку ж, як і перший ядерний реактор. За 10 років роботи вона дала 2000000 кВт год. електроенергії. В середині 90-х років її закрили.
  • В Сахарі створюється найбільша в світі сонячна станція. Тут встановлюють 500 тисяч 12-метрових параболічних дзеркал, розташованих в 800 рядів.[4]
  • 2016 року в українській Антонівці на Херсонщині в одній зі шкіл встановлено першу систему електричних сонячних батарей, які при наявності сонця повністю покривають потреби в електроенергії та опалюванні навчального закладу. Надлишки енергії передаються до централізованої системи і викуповуються державою. [5]

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

Література[ред.ред. код]

  • Сонячна енергетика: теорія та практика : монографія / Й. С. Мисак, О. Т. Возняк, О. С. Дацько, С. П. Шаповал ; М-во освіти і науки України, Нац. ун-т "Львів. політехніка". – Львів : Вид-во Львів. політехніки, 2014. – 340 с. : іл. – Бібліогр.: с. 323-337 (176 назв). – ISBN 978-617-607-597-4
  • Алфёров Ж. И., Андреев В. М., Румянцев В. Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников, 2004, Т.38, вып.8, с.937-948.

Посилання[ред.ред. код]

  • (англ.) MySolar.com — інформація для тих, хто цікавиться сонячною енергетикою.
  • (англ.) PVPower, Inc — сайт координує та поширює інформацію про фотоелектричні технології, успішні приклади їх використання.
  • (англ.) National Center for Photovoltaics — американський Національний центр фотоелектрики (NCPV).
  • (англ.) Solar City — міжнародна програма «Сонячне місто» заохочує розвиток енергоефективності та енергозбереження з метою зменшення викидів парникових газів і споживання викопного палива.
  • (англ.) SolarAccess Sustainable Energy B.V. — комерційний проект в області розвитку використання енергії сонця, вітру та інших відновлюваних джерел енергії.
  • (англ.) Solar cooking around the world  — все про сонячні печі, особливості їх конструкції і де вони сьогодні використовуються.

Організації[ред.ред. код]

  • (англ.) American Solar Energy Society (ASES) — Американське товариство з використання сонячної енергії.
  • (нім.) (англ.) EUROSOLAR Europäische Vereinigung für Erneuerbare Energien e.V. — Європейська асоціація з відновлюваної енергії Eurosolar.
  • (англ.) Smart Electric Power Alliance (SEPA) — Асоціація розумної сонячної електроенергетики.
  • (англ.) SolarPACES — сайт міжнародної організації, створеної під егідою Міжнародного енергетичного агентства (IEA).
  • (англ.) International Solar Energy Society e. V. (ISES) — сайт Міжнародного товариства сонячної енергетики (ISES). Працює розгалужена інформаційна мережа, публікується інформація про проекти та конференції.
  • (англ.) Australia & New Zealand Solar Energy Society (ANZSES) — Австралійсько-Новозеландське товариство з використання сонячної енергії.
  • (англ.) SolarPower Europe — Європейська асоціація з розвитку фотоелектричної промисловості.
  • (англ.) (нім.) DGS Solar — Німецьке товариство сонячної енергетики.
  • (англ.) Solar Energy Industries Association — Промислова асоціація сонячної енергетики США.

Періодика[ред.ред. код]

  • (англ.) Solar Energy — офіційний журнал Міжнародного товариства сонячної енергетики (ISES).
  • (англ.) Solar Today — журнал Американського товариства з використання сонячної енергії.

Освітні ресурси[ред.ред. код]

  • (англ.) (ісп.) Censolar Europa — USA — Latinoamérica — система дистанційного навчання в області сонячної енергетики.
  • (англ.) Solar Energy International (SEI) — неприбуткова організація навчає і надає технічну допомогу у використанні поновлюваних джерел енергії.