Если использование ископаемого топлива было символом прошедшего тысячелетия, то использование солнечной энергии становится символом наступившего века.
Коллекторы-концентраторы используются в том случае, когда требуются высокие температуры. Подобное устройство было использовано дня создания солнечной печи во Франции, когда тысячи зеркал отбрасывали солнечные "зайчики" на одиночную цель.
Установленные в подходящих местах (лучше всего в пустынях) солнечные коллекторы могут концентрировать солнечный свет на размешенную в фокусе емкость с водой (рис. 1.2). Получаемый перегретый пар используется в обычной паровой турбине, и вырабатываемая электроэнергия подается в электрическую сеть. Самая крупная система в виде вогнутого зеркала находится в Австралии. Это зеркало вращается и отслеживает положение солнца на небе.
Рис. 1.2. Солнечный коллектор-концентратор
В пустыне Мохав в Калифорнии солнечная электростанция состоит из множества выгнутых по параболе зеркал, в фокусе которых размещены трубки, по которым протекает вода. Вырабатываемый пар используется в паровой турбине для получения электроэнергии
Существуют три типа систем концентрации солнечной энергии: параболические лотки, тарелки и централизованные (башенные) системы.
В параболических лотках в фокусе зеркала размещена трубка, по которой движется нагреваемая жидкость (рис. 1.3). В Южной Калифорнии мощность таких систем достигает 354 МВт, что достаточно для обеспечения электроэнергией 350 тыс. человек.
В тарелочных системах используются одиночные параболические зеркала, концентрирующие солнечное излучение на приемнике, размещенном в фокусе зеркала. Мощность одной тарелки может быть в пределах от 5 до 50 кВт.
В централизованных системах применяются тысячи зеркал, отражающих солнечные лучи на приемник энергия (емкости с водой), установленной на высокой башне, причем зеркала с помощью автоматизированных систем отслеживают положение солнца на небе. Электростанция Барстоу мощностью 20 МВт В Калифорнии является самой крупной в мире. Каждое зеркало а течение дня вращалось с помощью специального механизма, поэтому солнечные "зайчики" от каждою зеркала все время попадали в цель. Очевидно, что использование такое сложной системы слежения за солнцем делает электростанцию довольно дорогой.
Рис. 1.3. Параболический лоток-концентратор
На электростанции Luz Solar в Калифорнии энергия солнца используется для генерации пара, который затем срабатывается в обычном паротурбинном цикле. После расширения станции цена одного кВт-ч упала с $0,20 до $0,12. а затем снизилась до $0,08.
Главная сложность заключается в том, что электроэнергия вырабатывается только тогда, когда светит солнце, и не вырабатывается в облачные дни и ночью. Поэтому на ряде солнечных электростанций используются гибридные технологии - днем используется энергия солнца, а ночью сжигается в обычной топке природный газ и продукты сгорания используются для выработки пара, энергия которого используется для вращения паровой турбины (как на обычной тепловой электростанции).
С другой стороны, подобные системы занимают значительные площади. Для их создания в любом случае требуется использование природных ресурсов (топлива, руды и т. д.). И, наконец, после того как системы выработают свой срок, их придется демонтировать и часть конструкций размещать на полигонах хранения.
Солнечные фотоэлементы
Фотоэлектрический эффект был открыт французским ученым Александром Беккерелем в 1839 году. В 1905 году Альберт Эйнштейн предположил, что под воздействием фотонов солнечного света электроны смещаются с атомных орбит, что приводит к появлению электрического тока. Первый солнечный элемент был создан в лаборатории американской фирмы Белл в 1954 году.
До недавнего времени фотоэлектрические преобразователи широко использовались только в системах обеспечения энергией космических спутников Земли, но теперь надёжные, высокотехнологичные системы отлично работают на Земле, причем как в промышленности, так и в коммунальном хозяйстве. Солнечные электростанции уже прошли все испытания временем и доказали свою экономическую эффективность. Надежные и долговечные конструкции легко устанавливаются на любых зданиях, просты в эксплуатации, безопасны, бесшумны, абсолютно экологичны и относительно доступны по цене. Фотоэлектрические модули (ФЭМ), преобразующие энергию солнца в электричество, изготавливаются в основном из пластинок чистого кремния я при всей своей кажущейся простоте требуют для своего производства самых современных технологий. В зависимости от площади модуля и применённых ФЭМ мощность его может достигать 100-110 Вт, и стандартное снимаемое напряжение составляет 12 В, хотя выпускаются модули и на другие напряжения. Вес модулей обычно не превышает 5-7 кг.
В состав солнечной электрической системы кроме ФЭМ входят накопители энергии (аккумуляторные батареи), контроллер, преобразователь (инвертор) и потребители энергия - холодильные установки, осветительные приборы, компьютеры и т. д.
Количество модулей в системе ничем не ограничено. Аккумулятор предназначен для накопления электроэнергии и может быть любого типа. Для солнечных установок разработаны специальные необслуживаемые аккумуляторы с емкостью до 1000 А/ч и более, способные выдерживать тысячи циклов разряда- заряда. Контроллер управляет работой всей системы и защищает её от перегрузок и коротких замыканий. Вырабатываемое системой напряжение 12 В хорошо подходит для осветительной сети жилого дома. Это абсолютно безопасное для человека напряжение подводится к широко распространенным галогеновым светильникам, обеспечивающим повышенную светоотдачу по сравнению с обычными лампами накаливания.
Так как потребляющие энергию приборы обычно рассчитаны на работу в сети переменного тока напряжением 110 или 220 В, то в данном случае возможно использование преобразователей (инверторов) постоянного гака в переменный.
Для размещения солнечных батарей далеко не всегда требуются обширные земельные пространства. Например, в Швейцарии такие батареи размещают вдоль железнодорожных путей и автострад. В одной из самых густонаселенных стран мира - Голландии проведенные недавно исследования показали, что одну четверть необходимого стране электричества можно получать, размещая солнечные батареи вдоль транспортных коммуникаций.
Солнечная энергия превращается непосредственно в электроэнергию в фотоэлектрических преобразователях, которые в англоязычных странах обозначают термином PVs. Основой преобразователей в большинстве случаев являются вырезанные из чистого кремния объединяются в крупные модули.
Такие модули не изменчивы к атмосферным воздействиям, Кремниевые пластинки вырезают обычно из монокристаллов, что обеспечивает их высокую чистоту.
Солнечные батареи вырабатывают электрическую энергию все время, когда они освещены солнцем. Из-за их невысокой эффективности необходимо размещать такие батареи на значительных площадях для получения достаточного количества электроэнергии, поэтому сейчас использование солнечных батарей пока в основном ограничено их применением в калькуляторах, часах, фотокамерах.
Фотоэлектрические преобразователи наиболее удобны в отдаленных от электрических сетей местах. В Калифорнии, например, они широко применяются для снабжения электроэнергией телефонных будок вдоль автострад.
Фотоэлектрические преобразователи работают исключительно долго и их почти не нужно обслуживать. В перспективе следует ожидать широкого внедрения тонкопленочных преобразователей.
В сельских местностях в развитых странах уже началась установка таких преобразователей в сочетании с аккумуляторными батареями. Стоимость установки подобной системы в жилом доме в США колеблется сейчас от $18 тыс. до $30 тыс.
В Японии к 2004 году планируют установить 70 000 фотоэлектрических модулей на крышах домов. В 1999 году мощность солнечных модулей в Японии составляла 80 МВт и увеличилась по сравнению с 1998 годом на 38 %.
Одним из самых крупных в мире производителей солнечных элементов является Калифорния (30 % от мировой продукции). В 1997 году в мире было выпушено фотоэлектрических преобразователей общей мощностью 126,7 МВт (в США 53 МВт, в Японии 35 МВт, в Европе МВт).
Почти 15 % выпущенной продукции используется в калькуляторах. Стоимость применения кремниевых батарей в последние годы резко снижается (табл. 1.4). Вскоре ожидается значительное увеличение применения солнечных батарей, так как идет освоение новых, более эффективных материалов, которые позволят размещать солнечные модули на гибкой основе. США планируют к 2010 году установить солнечные батареи на миллионе крыш.
Стоимость 1 кВт-ч, выработанного солнечной батареей
Таблица 1.4
Гол | 1970 | 1975 | 1980 | 1985 | 1990 | 1995 |
Цена | $5,00 | $2,50 | $1,00 | $0,50 | $0,25 | $0,25 |
Исследователи из университета штата Флорида (США) построили дом из высококачественных изоляционных материалов, который почти полностью обслуживается солнечным электричеством. В Великобритании в университете города Ньюкасла компьютерный центр также использует солнечную энергию.
В США солнечная энергия начала использоваться даже в городе Сиэтле. Установленные на крыше одного из домов три солнечных модуля стоимостью $18 тыс. (включая монтаж) И размерами 3,03x3,66 м обеспечивают мощность 2 кВт, что вполне достаточно для освещения наружного фасада здания.
В столице Германии на крыше торгового и технологического центра была установлена система солнечных модулей фирмы Solapex мощностью 500 кВт. Такая же система мощностью 345 кВт была установлена в 1996 в городе Атланте (США) для освещения бассейна, в котором на Олимпийских игрек проводились соревнования по плаванию и прыжкам в воду.
В Швейцарии действует около 3000 гелиоустановок, которые размешаются на крышах и стенах зданий, шумозащитных ограждениях автострад, транспортных и промышленных сооружениях и не требуют для установки дорогостоящей территории.
Солнечные электростанции могут вырабатывать достаточное количество энергии даже в условиях умеренного климата и значительной облачности. Об этом говорит опыт эксплуатации гелиоэнергетической системы, созданной немецкой фирмой Siemens Solar. Солнечные панели, установленные на крышах нескольких мюнхенских зданий, в течение первого года работы произвели 1 млн. кВт-ч электроэнергии.
