АКТУАЛЬНІСТЬ ВИКОРИСТАННЯ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГІЇ

03.04.2017

Е. А. Борушков

Печникова Ірина Миколаївна, науковий керівник викладач

Мценського філії ФГБОУ ВПО «Держуніверситет — ННВК», р. Мценск

Кожен з нас чув про альтернативні джерела енергії: застосування енергії Сонця, вітру, відливів і припливів.

Сонячна електростанція — інженерна споруда, що служить перетворення сонячної радіації в електричну енергію. Способи перетворення сонячної радіації різні і залежать від конструкції електростанції.

Сонячні електростанції, що перетворюють енергію сонячної радіації в електроенергію. Вони бувають двох видів:

1 фотоелектричні — безпосередньо перетворюють сонячну енергію в електроенергію за допомогою фотоелектричного генератора.

2 термодинамічні — перетворюють сонячну енергію в теплову, а потім в електричну; потужність термодинамічних сонячних електростанцій вище, ніж потужність фотоелектричних станцій

Головним елементом фотоелектричних станцій є сонячні батареї. Вони складаються з тонких плівок кремнію або інших напівпровідникових матеріалів і можуть перетворювати сонячну енергію в постійний електричний струм.

Фотоелектричні перетворювачі відрізняються надійністю, стабільністю, а термін їх служби практично не обмежений. Вони можуть перетворювати як пряме, так і розсіяне сонячне світло. Невелика вага, простота обслуговування, модульний тип конструкції дозволяє створювати установки будь-якої потужності. До недоліків сонячних батарей можна віднести високу вартість і низький ККД.

У пристрої термодинамічних сонячних електростанцій використовують теплообмінні елементи із селективним светопоглощающего покриттям. Вони здатні поглинати до 97% потрапляє на них сонячного світла. Ці елементи навіть за рахунок звичайного сонячного освітлення можуть нагріватися до 200°С і більше. З допомогою них перетворюють воду в пар у звичайних парових котлах, що дозволяє отримати ефективний термодинамічний цикл в паровій турбіні. ККД сонячної паротурбінної установки може досягати 20%.

На основі цього ефекту була розроблена конструкція аеростатної сонячної електростанції. Джерелом енергії в ній є балон аеростата, заповнений водяною парою. Зовнішня частина балона пропускає сонячні промені, а внутрішня покрита селективним светопоглощающего покриттям, і дозволяє нагрівати вміст балона до 150-180°С. Отриманий всередині пара буде мати температуру 130-150°С, а тиск таке ж як атмосферний. Розбризкуючи воду всередині балона з перегрітою парою, отримують генерацію пари.

Пар з балона відводиться в парову турбіну допомогою гнучкого паропроводу, а на виході з турбіни перетворюється в конденсаторі у воду. З нього воду з допомогою насоса подають назад в балон. За рахунок пара накопиченого за день, така електростанція може працювати і вночі. Протягом доби потужність турбогенератора можна регулювати відповідно до потреб.

Всі сонячні електростанції (сес) поділяють на кілька типів:

— СЕС баштового типу

— СЕС тарілчастого типу

— СЕС, використовують фотобатареї

— СЕС, які використовують параболічні концентратори

— Комбіновані СЕС

— Аэростатные сонячні електростанції

1 СЕС баштового типу

Дані електростанції засновані на принципі отримання водяної пари з використанням сонячної радіації. У центрі станції стоїть вежа висотою від 18 до 24 метрів (в залежності від потужності і деяких інших параметрів висота може бути більше або менше), на вершині якої знаходиться резервуар з водою. Цей резервуар покритий чорним кольором для поглинання теплового випромінювання. Також в цій башті знаходиться насосна група, яка доставляє пар на турбогенератор, який знаходиться поза вежі. По колу від вежі на деякій відстані розташовуються геліостати. Геліостат — дзеркало площею в кілька квадратних метрів, закріплений на опорі і підключений до загальної системи позиціонування.

2 СЕС тарілчастого типу

Даний тип СЕС використовує принцип одержання електроенергії, схожий з таким у Баштових СЕС, але є відмінності в конструкції самої станції. Станція складається з окремих модулів. Модуль складається з опори, на яку кріпиться ферменних конструкція приймача і відбивача. Приймач знаходиться на деякій відстані від відбивача, і в ньому концентруються відбиті промені сонця. Відбивач складається з дзеркал у формі тарілок (звідси назва), радіально розташованих на фермі. Діаметри цих дзеркал сягають 2 метрів, а кількість дзеркал — кількох десятків (в залежності від потужності модуля).

3 СЕС, використовують фотобатареї

СЕС цього типу в даний час дуже поширені, так як в загальному випадку СЕС складається з великого числа окремих модулів (фотобатарей) різної потужності і вихідних параметрів. Дані СЕС широко застосовуються для енергозабезпечення як малих, так і великих об’єктів (приватні котеджі, пансіонати, санаторії, промислові будівлі і т. д.). Встановлюватися фотобатареї можуть практично скрізь, починаючи від покрівлі і фасаду будівлі і закінчуючи спеціально виділеними територіями.

4 СЕС, які використовують параболічні концентратори

Принцип роботи даних СЕС полягає в нагріванні теплоносія до параметрів, придатних до використання в турбогенераторі.

Конструкція СЕС: на фермової конструкції встановлюється параболічне дзеркало великої довжини, а у фокусі параболи встановлюється трубка, по якій тече теплоносій (найчастіше масло). Пройшовши весь шлях, теплоносій нагрівається і в теплообмінних апаратах віддає теплоту воді, яка перетворюється в пар і надходить на турбогенератор.

5 Об’єднані СЕС

Часто на СЕС різних типів додатково встановлюють теплообмінні апарати для отримання гарячої води, яка використовується як для технічних потреб, так і для гарячого водопостачання та опалення. В цьому і полягає суть комбінованих СЕС. Також на одній території можлива паралельна установка концентраторів і фотобатарей, що теж вважається комбінованої СЕС.

Переваги сонячної енергетики:

— загальнодоступність і невичерпність джерела;

— теоретично, повна безпека для навколишнього середовища.

Фотоелектричні перетворювачі працюють вдень і з меншою ефективністю працюють в ранкових та вечірніх сутінках. При цьому пік електроспоживання припадає саме на вечірні години. Крім того, вироблена ними електроенергія може різко і несподівано коливатися через зміни погоди. Для подолання цих недоліків на сонячних електростанціях використовуються ефективні електричні акумулятори (на сьогоднішній день це не досить вирішена проблема), або перетворення в інші види енергії, наприклад, будують гідроакумулюючі станції, які займають велику територію, або концепцію водневої енергетики, яка на сьогоднішній день поки що недостатньо економічно ефективна. На сьогоднішній день ця проблема просто вирішується створенням єдиних енергетичних систем, які перерозподіляють вироблювану і споживану потужність. Проблема деякій залежності потужності сонячної електростанції від часу доби і погодних умов вирішується також за допомогою сонячних аеростатна електростанцій.

Через 30 років експлуатації ефективність фотоелектричних елементів починає знижуватися. Відпрацьовані фотоелементи, хоча і незначна їх частина, в основному спеціального призначення, що містять компонент (кадмій), який недопустимо викидати на смітник. Потрібно додаткове розширення індустрії по їх утилізації.

При виробництві фотоелементів рівень забруднення не перевищує допустимого рівня для підприємств мікроелектронної промисловості. Сучасні фотоелементи мають термін служби (30-50 років). Застосування кадмію, пов’язаного в з’єднаннях, при виробництві деяких типів фотоелементів, з метою підвищення ефективності перетворення, ставить складне питання їх утилізації, який теж не має поки прийнятного з екологічної точки зору рішення, хоча такі елементи мають незначне поширення і сполук кадмію при сучасному виробництві вже знайдена гідна заміна.

останнім часом активно розвивається виробництво тонкоплівкових фотоелементів, у складі яких міститься всього близько 1 % кремнію, по відношенню до маси підкладки на яку наносяться тонкі плівки. З-за малого витрат матеріалів на поглинаючий шар, тут кремнію, тонкоплівкові кремнієві фотоелементи дешевше у виробництві, але поки мають меншу ефективність і непереборну деградацію характеристик у часі.

Фотоелемент — електронний прилад, який перетворює енергію фотонів в електричну енергію. Перший фотоелемент, заснований на зовнішньому фотоефекті, створив Олександр Столєтов.

Найбільш ефективними, з енергетичної точки зору, пристроями для перетворення сонячної енергії в електричну є напівпровідникові фотоелектричні перетворювачі (ФЕП), оскільки це прямий, одноступінчатий перехід енергії. При характерній для ФЕП рівноважної температури близько 300-350 До сонця

6000 До їх граничний теоретичний ККД < 29 %. В лабораторних умовах вже досягнутий ККД 26 %.

Основні незворотні втрати енергії пов’язані з:

— відображенням сонячного випромінювання від поверхні перетворювача,

— проходженням частини випромінювання через ФЕП без поглинання в ньому,

— розсіюванням на теплових коливаннях гратки надлишкової енергії фотонів,

— рекомбінацією утворилися фото-пар на поверхнях і в обсязі ФЕП,

— внутрішнім опором перетворювача,

— і деякими іншими фізичними процесами.

Для зменшення всіх видів втрат енергії в ФЕП розробляються і успішно застосовується різні заходи. До їх числа відносяться:

— використання напівпровідників з оптимальною для сонячного випромінювання шириною забороненої зони;

— спрямоване поліпшення властивостей напівпровідникової структури шляхом її оптимального легування і створення вбудованих електричних полів;

— перехід від гомогенних до гетерогенним і варизонным напівпровідникових структур;

— оптимізація конструктивних параметрів ФЕП (глибини залягання p-n переходу, товщини базового шару, частоти контактної сітки та ін);

— застосування багатофункціональних оптичних покриттів, що забезпечують просвітлення, терморегулювання і захист ФЕП від космічної радіації;

— розробка ФЕП, прозорих в довгохвильовій області сонячного спектра за краєм основної смуги поглинання.

Створення каскадних ФЕП із спеціально підібраних по ширині забороненої зони напівпровідників, що дозволяють перетворювати в кожному каскаді випромінювання, що пройшло через попередній каскад, тощо;

Також істотного підвищення ККД ФЕП вдалося досягти за рахунок створення перетворювачів з двостороннім чутливістю (до +80 % до вже наявного ККД однієї сторони), застосування люмінесцентно переизлучающих структур, попереднього розкладання сонячного спектру на дві або більше спектральні області за допомогою багатошарових плівкових светоделителей (діхроічних дзеркал) з подальшим перетворенням кожної ділянки спектру окремих ФЕП і т. д.

Сонячна енергія широко використовується для нагріву води, так і для виробництва електроенергії. Сонячні колектори виробляються з доступних матеріалів: сталь, мідь, алюміній і т. д. тобто без застосування дефіцитного і дорогого кремнію. Це дозволяє значно скоротити вартість обладнання, і виробленої на ньому енергії. В даний час саме сонячний нагрів води є найефективнішим способом перетворення сонячної енергії.

Використання сонячних батарей в Росії доцільно разом з традиційними джерелами енергії.

1. Баланчевадзе Ст.В. Барановський А. І. та ін Енергетика сьогодні і завтра. — М. Вища школа, 2006.

2. Дж. Твайдел, А. Вейр. Поновлювані джерела енергії, — М. Вища школа,2010.

3. Джерела енергії. Факти, проблеми, рішення. — М. Наука і техніка,2010.

4. Кириллин Ст. А. Енергетика. Головні проблеми: В питаннях та відповідях. — М. Знання, 2007.

5. Лаврус В. С. Джерела енергії. — М. Наука і техніка, 1997.

6. Нетрадиційні джерела енергії. — М. Знання, 2003.

7. Оптимістичний погляд на майбутнє енергетики світу /Під ред. Р. Кларка: Пров. з англ. — М. Вища школа, 2012.

Короткий опис статті: перетворення сонячної енергії

Джерело: АКТУАЛЬНІСТЬ ВИКОРИСТАННЯ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГІЇ — Секція 4 Фізика, електроніка та електротехніка — Матеріали конференції 16 травня 2014 року — Каталог статей — Кафедра ЭиИТ МФ Держуніверситету-ННВК

Також ви можете прочитати