IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Солнечная энергетика – направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии. Рассмотрим некоторые данные о Солнце.

Солнце – центральная и единственная звезда Солнечной системы, вокруг которой обращаются другие объекты этой системы: планеты и их спутники, карликовые планеты и их спутники, астероиды, метеороиды, кометы и космическая пыль.

Масса Солнца составляет 99,866 % от суммарной массы всей Солнечной системы.

Солнечное излучение поддерживает жизнь на Земле, определяет климат.

Солнце состоит из водорода, гелия и следующих, входящих в его состав в малых концентрациях, элементов: железа, никеля, кислорода, азота, кремния, серы, магния, углерода, неона, кальция и хрома. По спектральной классификации Солнце относится к типу G2V («жёлтый карлик»). Температура поверхности Солнца достигает 6000 K, поэтому Солнце светит почти белым светом, но из-за более сильного рассеяния и поглощения коротковолновой части спектра атмосферой Земли прямой свет Солнца у поверхности нашей планеты приобретает некоторый жёлтый оттенок.

Ещё в древности люди начали задумываться о возможностях применения солнечной энергии. Согласно легенде, великий греческий учёный Архимед сжёг неприятельский флот, осадивший его родной город Сиракузы, с помощью системы зажигательных зеркал. Доподлинно известно, что около 3000 лет назад султанский дворец в Турции отапливался водой, нагретой солнечной энергией. Древние жители Африки, Азии и Средиземноморья получали поваренную соль, выпаривая морскую воду. Однако больше всего людей привлекали опыты с зеркалами и увеличительными стеклами. Настоящий «солнечный бум» начался в XVIII столетии, когда наука, освобождённая от пут религиозных суеверий, пошла вперед семимильными шагами. Первые солнечные нагреватели появились во Франции. Естествоиспытатель Ж. Бюффон создал большое вогнутое зеркало, которое фокусировало в одной точке отраженные солнечные лучи. Это зеркало было способно в ясный день быстро воспламенить сухое дерево на расстоянии 68 метров. Вскоре после этого шведский учёный Н. Соссюр построил первый водонагреватель. Это был всего лишь деревянный ящик со стеклянной крышкой, однако вода, налитая в немудреное приспособление, нагревалась солнцем до 88 °С. В 1774 году великий французский ученый А. Лавуазьевпервые применил линзы для концентрации тепловой энергии солнца. Вскоре в Англии отшлифовали большое двояковыпуклое стекло, расплавлявшее чугун за три секунды и гранит – за минуту.

Первые солнечные батареи, способные преобразовывать солнечную энергию в механическую, были построены опять-таки во Франции. В конце XIX века на Всемирной выставке в Париже изобретатель О. Мушо демонстрировал инсолятор – аппарат, который при помощи зеркала фокусировал лучи на паровом котле. Котёл приводил в действие печатную машину, печатавшую по 500 оттисков газеты в час. Через несколько лет в США построили подобный аппарат мощностью в 15 лошадиных сил.

Паровой котёл на солнечной энергии, приводящий в движение печатный станок

Подходили годы, инсоляторы использующие солнечную энергию совершенствовались, но принцип оставался прежним: солнце – вода – пар. Но вот, в 1953 году ученые Национального аэрокосмического агентства США создали настоящую солнечную батарею – устройство, непосредственно преобразующее энергию солнца в электричество.

Еще в 70-х годах 19 века был открыт так называемый фотоэлектрический эффект – явление, связанное с освобождением электронов твердого тела или жидкости под действием электромагнитного излучения.

В 30-х годах XX века глава физиков нашей страны академик А.Ф. Иоффе высказал мысль о использовании полупроводниковых фотоэлементов в солнечной энергетике. Коэффициент полезного действия (КПД) материалов, в то время не превышал 1 процента, что означает: в электричество превращалась лишь сотая часть световой энергии. После многолетних экспериментов удалось создать фотоэлементы с КПД до 10–15 %. Затем были построены солнечные батареи современного типа. В 1959 году они были установлены на одном из первых искусственных спутников Земли, и с тех пор все космические станции оснащаются многометровыми панелями с солнечными батареями. Низкий КПД солнечных батарей можно было бы компенсировать большой площадью, например, покрыть всю пустыню Сахару фотоэлементами – и готова мощнейшая солнечная электростанция. Однако кремниевые полупроводники, на основе которых производятся солнечные батареи, очень дорого стоят. И чем выше КПД, тем дороже материалы. Вследствие этого доля солнечной энергии в сегодняшней энергетике невелика. Однако в связи с не бесконечностью ископаемого топлива, доля энергии получаемой солнечными батареями будет неминуемо возрастать. Росту использования солнечных батарей способствуют разработки направленные на повышение КПД и понижение их стоимости.

Одно из главных достоинств солнечной энергии – ее экологическая чистота. Правда, соединения кремния могут наносить небольшой вред окружающей среде, однако по сравнению с последствиями сжигания природного топлива такой ущерб незначителен.

Полупроводниковые солнечные батареи имеют важное достоинство – долговечность. При том что уход за ними не требует от персонала особенно больших знаний. Вследствие этого солнечные батареи становятся все более популярными в промышленности и быту.

Несколько квадратных метров солнечных батарей вполне могут решить все энергетические проблемы небольшого населенного пункта. В странах с большим количеством солнечных дней – южной части США, Испании, Индии, Саудовской Аравии и прочих – уже действуют солнечные электростанции. Некоторые из них достигают довольно мощные.

Сегодня уже разрабатываются проекты строительства солнечных электростанций за пределами атмосферы – там, где солнечные лучи не теряют своей энергии. Уловленное на земной орбите излучение предлагается переводить в другой тип энергии с использованием микроволн – и затем уже отправлять на Землю. Современная технология позволяет осуществить такой проект в самом близком будущем.

Большое количество научных экспериментов и тонких технологий требуют подчас создания огромной температуры. Идеальный вариант - солнечная энергия, способная создавать гигантские температуры на небольшой площади. Самая известная «солнечная печь» действует во французском местечке Одило. Ее подвижные зеркала концентрируют энергию солнца с большой площади на площадке менее одного квадратного метра. Эта площадка находится на небольшой башне перед системой зеркал. В ясные дни в фокусе зеркал удается достигнуть температуры в 3300 °С. С её помощью в Одило создают материалы с особенными свойствами, которые невозможно получить в традиционной металлургии.

Первая промышленная солнечная электростанция была построена в 1985 году в СССР в Крыму, недалеко от города Щёлкино. СЭС-5 имела пиковую мощность 5 МВт. Столько же, сколько у первого ядерного реактора. За 10 лет работы она выработала всего 2 миллиона кВт-час электроэнергии, однако стоимость её электричества оказалась довольно высокой, и её закрыли.

Использовать энергию Солнца в быту можно и без превращения её в электричество. Для того чтобы «протопить» холодную комнату или нагреть воду в водопроводе, можно напрямую воспользоваться солнечным теплом. Установки, собирающие, сохраняющие и передающие это тепло, называются солнечными коллекторами. В простейшем варианте все выглядит так: на крыше дома или на его южной стене устанавливается панель, состоящая из тоненьких трубочек, по которым в специальный бак-аккумулятор подается вода. Солнце нагревает трубки, те нагревают воду, вода (температура которой в этой системе при использовании зеркального поддона может доходить до 60–90 °С) накапливается в баке и потом используется для обогрева или горячего водоснабжения. Дома, оборудованные такими системами (которые обычно доукомплектовываются и кремниевыми солнечными элементами), называются «солнечными домами». С одной стороны, этот дом стоит несколько дороже, чем обычный, но с другой – он позволяет резко сократить коммунальные платежи – на 50–70 %.

Рассмотрим принцип работы солнечной батареи. Наиболее эффективными с энергетической точки зрения устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку позволяют осуществить прямой, одноступенчатый переход энергии. Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Фотовольтаический эффект заключается в возникновении ЭДС под действием света в результате пространственного разделения возбужденных носителей заряда электрическим полем на границе двух контактирующих материалов. Фотовольтаический эффект (преобразование энергии света в электроэнергию) был открыт в 1839 году молодым французским физиком Эдмондом Беккерелем. Однажды 19-летний Э. Беккерель, проводя опыты с маленькой электролитической батареей с двумя электродами обнаружил, что на свету некоторые материалы производят электрический ток. Дело в том, что солнечный свет несет определенную энергию. Разным длинам волн света, воспринимаемыми нами как разные цвета (красный, синий, желтый и т.д.) соответствуют свои уровни энергии. Попадая на воспринимающий полупроводниковый слой, свет передает свою энергию электрону, который срывается со своей орбиты в атоме. Поток электронов – это электрический ток. Но до создания первой солнечной батареи прошло еще более сорока лет: в 1883 г. Чарльз Фритц покрыл кремниевый полупроводник очень тонким слоем золота и получил солнечную батарею, КПД которой составил не более 1 %.

Первый искусственный спутник с применением фотовольтаических элементов был запущен СССР в 1957 г., а в 1958 г. США осуществили запуск спутника Explorer 1 с солнечными панелями. Эти два события показали, что солнечные панели могут служить единственным и достаточным источником энергоснабжения геостационарных спутников, что подтвердило компетентность солнечных батарей. Это был важный момент в развитии данной технологии, так как в результате успешных запусков несколько правительств инвестировали колоссальный объем средств в ее разработку. Начиная с 2000 г. росла эффективность производимых кремниевых моно- и поликристаллических фотоэлектрических элементов, достигнув к 2007 году максимальных значений 19 %. Другие технологии из-за меньшей эффективности оказались обделены вниманием разработчиков до недавнего времени. В целом погоня за эффективностью и создание дорогих солнечных элементов оправдывали себя только для применения в космосе, где важен каждый грамм и квадратный сантиметр.

Для практического использования солнечных панелей на Земле требовались сравнительно недорогие и качественные элементы, пригодные для массового производства и применения. Именно такими и стали кремниевые солнечные панели. В настоящее время лидером является моно- и поликристаллический кремний – 87 % мирового рынка. Аморфный кремний составляет 5 % рынка, а тонкопленочные кадмий-теллуровые элементы – 4,7 %. Основным материалом для производства солнечных фотоэлектрических панелей остается кремний. Причиной является его повсеместная доступность. Немалую роль играет и разработанность технологии, поскольку кремний очень широко используется в разных видах электроники. Основой для солнечных панелей являются тонкие срезы кремниевых кристаллов. Чем тоньше слой – тем меньше себестоимость, повышается эффективность устройства. В 2003 году в среднем в индустрии фотовольтаики толщина слоя в наиболее качественных элементах составляла 0,32 мм, а к 2008 году уменьшилась до 0,17 мм. А эффективность повысилась с 14 % до 16 %. В этом году планируется достигнуть показателей 0,15 мм при эффективности 16,5 %.

Солнечный коллектор. Эти устройства представляют собой наиболее распространённый тип солнечных преобразователей. Работа устройства осуществляется при температуре от ста до двухсот градусов.

Солнечные коллекторы выполняют огромный диапазон работы. При помощи коллекторов подогревают еду, избавляют от соли, добывают воду из колодцев. Посредством концентрированной солнечной энергии можно сушить овощи или фрукты, а также замораживают продукты. Коллектор может использоваться в качестве водонагревателя. В состав конструкции входят коробка со змеевиком, бак с холодной водой, бак-аккумулятор и трубы. Главное – правильно установить коробку. Она должна находиться под углом в 30–50 градусов и быть направлена на юг. Холодная вода находится в нижней части коробки, она нагревается и вытесняется поступающей холодной водой, поступает в бак-аккумулятор.

Производительность установки в течение дня составляет около двух кВт/ч с каждого квадратного метра. Вода может нагреваться до шестидесяти или семидесяти градусов, что позволяет использовать её в самых разных целях (отопление, душ и т.д.). КПД устройства достигает сорока процентов.

Принцип работы солнечных коллекторов во многом напоминает принцип теплиц. Такие коллекторы могут изготавливаться из разных материалов –дерева, металла, пластика.

С одной стороны, они закрываются одинарным или двойным стеклом. Чтобы обеспечить полное поглощение солнечных лучей, в короб вставляют лист из металла. Как правило, содержит воздух или воду, которые нагреваются и затем поступают в бак посредством действия вентилятора или насоса.

Преимущества использования солнечных коллекторов. Важнейшее достоинство солнечных коллекторов – простота, неприхотливость в эксплуатации и высокий КПД. Так, последние разработки позволяют говорить о сорока пяти и даже шестидесяти процентах. Уровень эффективности тепловых гелиоприёмников можно повысить путём их дополнения специальными зеркальными поверхностями.

Главная функция такой поверхности – концентрировать поступающее излучение. Если рассматривать эти устройства как средство обеспечения энергией жилого дома, то наиболее практичными обещают быть так называемые фоконы.

Фокон – это оптический волоконный элемент, состоящий из пучка конических волокон. Фоконами называют волоконные элементы, диаметры отдельных волокон которых изменяются в направлении движения света. Фокон в сочетании с простыми оптическими системами позволит получить изображение высокого качества. Речь идёт о плоских солнечных элементах с линейными концентраторами. Это приспособление представлено в виде V-образной формы, прибор может быть не только плоским, но и параболоидным.

Фоконы и фоклины обладают двумя основными положительными свойствами: они не требуют высокой точности изготовления зеркальной поверхности отражателя и, что особенно важно, сохраняют исходное значение среднего коэффициента концентрации при невысокой точности ориентации оси отражателя на Солнце. В стационарных условиях они могут эффективно работать, оставаясь в течение длительного времени неподвижными по отношению к направлению солнечного излучения.

Сегодня по всему миру стартуют проекты по освещению улиц при помощи солнечной электроэнергии. В России производство солнечных батарей постоянно увеличивает и набирает обороты, создаются даже электростанции на солнечных батареях. Перспективы этой отрасли весьма велики, за ними будущее. С технической стороны преимущество таких систем заключается в полном отсутствии расходных материалов, а также в отсутствии необходимости применять любые виды топлива. Кроме того, в таких системах нет движущихся элементов, которые вырабатывают много шума и быстро изнашиваются. Они не нуждаются в постоянном техническом обслуживании и ремонте.

Солнце – один из самых безопасных с точки зрения экологии источников энергии, оно поставляет нам неисчерпаемый энергетический потенциал. Областями использования солнечных электростанций могут быть большинство отраслей сельского хозяйства и промышленности. Пара квадратных метров солнечной батареи способна обеспечить электроэнергией небольшой дом. К весомым достоинствам солнечных батарей относятся их долговечность и простота обслуживания.

Список использованных источников

1. Кучер М.И. Экология : учеб. пособие. / Под общ. ред. проф. Е.Э. Френкеля Е.Э. – Вольск: ВВИМО, 2015. – 265 с.

2. Солнечная батарея // Википедия [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B1%D0%B0%D1%82%D0%B0%D1%80%D0%B5%D1%8F

3. Солнечная электростанция // Википедия [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BD%D1%86%D0%B8%D1%8F

4. Солнечная энергетика // Википедия [Электронный ресурс]. Режим доступа:

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0

5. Френкель Е.Н. Концепции современного естествознания: физические, химические и биологические концепции : учеб. пособие. – Ростов н/Д: Феникс, 2014. – 246 с.

Код для цитирования: Скопировать