Как происходит процесс преобразования солнечной энергии в электрическую
Задумывались ли вы когда-нибудь о том, как происходит процесс преобразования солнечной энергии в энергию электрическую? Какое физическое явление лежит в основе работы всех этих солнечных элементов? Давайте обратимся к физике и разберемся в процессе генерации.
Процесс преобразования солнечной энергии в электрическую основан на явлении фотоэффекта, когда световые частицы (фотоны) вызывают вырывание электронов из полупроводникового материала. Эти электроны образуют электрический ток, который можно использовать для питания различных устройств.
Для преобразования солнечной энергии в электрическую используются специальные устройства, называемые фотоэлектрическими или солнечными элементами. Они состоят из двух слоев полупроводника с разной проводимостью, между которыми образуется p-n переход. Когда свет падает на такой элемент, он создает разность потенциалов между слоями, которая называется фотоэлектрической ЭДС.
Соединяя несколько солнечных элементов в последовательную или параллельную цепь, можно получить большее напряжение или силу тока. Такие цепи называются солнечными батареями или панелями. Они могут быть установлены на крышах, стенах, земле или специальных конструкциях, которые поворачиваются за солнцем.
Солнечные батареи подключаются к контроллеру заряда, который регулирует ток и напряжение, поступающие от них. Контроллер заряда также подключается к аккумулятору, который накапливает электрическую энергию и выдает ее при необходимости.
Аккумулятор выдает постоянный ток, который подходит для некоторых устройств, но не для всех. Поэтому часто используется инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный, который подходит для большинства бытовых приборов. Таким образом, солнечная энергия преобразуется в электрическую и может быть использована для разных целей.
Более подробно о том, как происходит процесс преобразования солнечной энергии в электрическую, читайте дальше в статье.
Многие из нас так или иначе сталкивались с солнечными элементами. Кто-то пользовался или пользуется солнечными батареями для получения электричества в бытовых целях, кто-то использует небольшую солнечную панель для зарядки любимого гаджета в полевых условиях, а кто-то уж точно видел маленький солнечный элемент на микрокалькуляторе. Некоторым даже посчастливилось побывать на солнечной электростанции.
С самого начала очевидно, что источником энергии здесь является солнечный свет, или, выражаясь научным языком, электрическая энергия получается благодаря фотонам солнечного излучения. Эти фотоны можно представить себе как непрерывно движущийся от Солнца поток элементарных частиц, каждая из которых обладает энергией, и следовательно весь световой поток несет в себе какую-то энергию.
С каждого квадратного метра поверхности Солнца непрерывно излучается по 63 МВт энергии в форме излучения! Максимальная интенсивность этого излучения приходится на диапазон видимого спектра — волны с длиной от 400 до 800 нм.
Так вот, ученые определили, что плотность энергии потока солнечного света на расстоянии от Солнца до Земли в 149600000 километров, после его прохождения через атмосферу, и по достижении поверхности нашей планеты, составляет в среднем приблизительно 900 Вт на квадратный метр.
Здесь эту энергию можно принять и попытаться получить из нее электричество, то есть преобразовать энергию светового потока Солнца — в энергию движущихся заряженных частиц, проще говоря — в электрический ток.
Для преобразования света в электричество нам потребуется фотоэлектрический преобразователь . Такие преобразователи очень распространены, они встречаются в свободной продаже, это так называемые солнечные ячейки — фотоэлектрические преобразователи в виде вырезанных из кремния пластин.
Лучшие — монокристаллические, они обладают КПД порядка 18%, то есть если поток фотонов от солнца обладает плотностью энергии в 900 Вт/кв.м, то можно рассчитывать на получение 160 Вт электричества с квадратного метра батареи, собранной из таких ячеек.
Работает здесь явление, называемое «фотоэффектом». Фотоэффект или фотоэлектрический эффект — это явление испускания электронов веществом (явление вырывания электронов из атомов вещества) под действием света или любого другого электромагнитного излучения.
Еще в 1900 году Макс Планк, отец квантовой физики, выдвинул предположение, что свет излучается и поглощается отдельными порциями или квантами, которые позже, а именно в 1926 году, химик Гилберт Льюис назовет «фотонами».
Каждый фотон обладает энергией, которая может быть определена по формуле Е = hv — постоянная Планка умножить на частоту излучения.
В соответствии с идеей Макса Планка стало объяснимым явление, открытое в 1887 году Герцем, и исследованное затем досконально с 1888 по 1890 год Столетовым. Александр Столетов экспериментально изучил фотоэффект и установил три закона фотоэффекта (законы Столетова):
- При неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещённости катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения).
- Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.
- Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.
Позже, в 1905 году, теорию фотоэффекта прояснит Эйнштейн. Он покажет, как квантовая теория света и закон сохранения и превращения энергии превосходно объясняют происходящее и наблюдаемое. Эйнштейн запишет уравнение фотоэффекта, за которое в 1921 году получит Нобелевскую премию:
Работы выхода А здесь — это минимальная работа, которую необходимо совершить электрону чтобы покинуть атом вещества. Второе слагаемое — кинетическая энергия электрона после выхода.
То есть фотон поглощается электроном атома, благодаря чему кинетическая энергия электрона в атоме возрастает на величину энергии поглощенного фотона.
Часть этой энергии расходуется на выход электрона из атома, электрон выходит из атома и получает возможность свободно двигаться. А направленно движущиеся электроны — это ничто иное, как электрический ток или фототок. В итоге можно говорить о возникновении ЭДС в веществе в результате фотоэффекта.
Стало быть, солнечная батарея работает благодаря действующему в ней фотоэффекту. Но куда движутся «выбитые» электроны в фотоэлектрическом преобразователе? Фотоэлектрический преобразователь или солнечная ячейка или фотоэлемент — это полупроводник, следовательно фотоэффект в нем происходит необычно, это внутренний фотоэффект, и он имеет даже специальное название «вентильный фотоэффект».
Под действием солнечного света в p-n переходе полупроводника возникает фотоэффект и появляется ЭДС, но электроны не покидают фотоэлемент, все происходит в запирающем слое, когда электроны покидают одну часть тела, переходя в другую его часть.
Кремния в земной коре 30% от ее массы, поэтому его всюду и используют. Особенность полупроводников вообще заключается в том, что они и не проводники и не диэлектрики, их проводимость зависит от концентрации примесей, от температуры и от воздействия излучений.
Ширина запрещенной зоны в полупроводнике составляет несколько электрон-вольт, и это как раз разность энергий между верхним уровнем валентной зоны атомов, откуда вырываются электроны, и нижним уровнем зоны проводимости. У кремния запрещенная зона имеет ширину 1,12 эВ — как раз то что нужно для поглощения солнечного излучения.
Итак, p-n переход. Легированные слои кремния в фотоэлементе образуют p-n переход. Здесь получается энергетический барьер для электронов, они покидают валентную зону и движутся только в одном направлении, в противоположном направлении движутся дырки. Так и получается ток в солнечном элементе, то есть имеет место генерация электроэнергии из солнечного света.
P-n переход, подвергаемый действию фотонов, не позволяет носителям заряда — электронам и дыркам — двигаться иначе, чем только в одном направлении, они разделяются и оказываются по разные стороны от барьера. И будучи присоединен к цепи нагрузки посредством верхнего и нижнего электродов, фотоэлектрический преобразователь, подвергаемый действию солнечного света, создаст во внешней цепи постоянный электрический ток.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Принцип преобразования солнечной энергии в электричество
Солнце и фотоэлектрические модули (СФЭМ — солнечные батареи).
В основе этого способа получения электричества лежит солнечный свет, названный в учебниках как солнечное излучение, солнечная радиация, световой поток или поток элементарных частиц – Фотонов. Для нас он интересен тем, что, так же как и движущийся воздушный поток, световой поток обладает энергией! На расстоянии в одну астрономическую единицу (149 597 870,66 км) от Солнца, на котором и располагается наша Земля, плотность потока солнечного излучения составляет 1360 Вт/м 2 . А пройдя через земную атмосферу, поток теряет свою интенсивность из-за отражения и поглощения, и у поверхности Земли уже равен ~ 1000 Вт/м 2 . Здесь и начинается наша работа: использовать энергию светового потока и преобразовать её в необходимую нам в быту энергию – электрическую.
Таинство этого преобразования происходит на небольшом псевдоквадрате со скошенными углами, который вырезан из кремниевого цилиндра (рис. 2), диаметром 125 мм, и имя ему — фотоэлектрический преобразователь (ФЭП). Каким же образом?
Ответ на этот вопрос получили физики, открывшие такое явление как Фотоэффект. Фотоэффект — это явление вырывания электронов из атомов вещества под воздействием света.
В 1900г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой: Е = h∙ν(аш ню), где h — постоянная Планка, равная 6,626 × 10 -34 Дж∙с, ν — частота фотона. Гипотеза Планка объяснила явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспериментально русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым, который, путем обобщения полученных результатов, установил следующие три закона фотоэффекта:
- При неизменном спектральном составе света сила тока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.
- Начальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с ростом частоты света и не зависит от его интенсивности.
- Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой, характерной для каждого вещества, величины, называемой красной границей.
Теорию фотоэффекта, проясняющую таинство, царящее в ФЭПе, развил немецкий ученый Альберт Эйнштейн в 1905г., объяснив законы фотоэффекта с помощью квантовой теории света. Исходя из закона сохранения и превращения энергии, Эйнштейн записал уравнение для энергетического баланса при фотоэффекте:
где: h∙ν – энергия фотона, А – работа выхода – минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из атома вещества. Таким образом, получается, что частица света – фотон — поглощается электроном, который приобретает дополнительную кинетическую энергию ½m∙v 2 и совершает работу выхода из атома, что дает ему возможность свободно двигаться. А направленное движение электрических зарядов и есть электрический ток, или, правильнее говоря, в веществе возникает Электро Движущая Сила – Э.Д.С.
За уравнение для фотоэффекта в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.
Возвращаясь из прошлого в наши дни, мы видим, что «сердцем» Солнечной батареи является ФЭП (полупроводниковый фотоэлемент), в котором осуществляется удивительное чудо природы – Вентильный фотоэффект (ВФЭ). Он заключается в возникновении электродвижущей силы в p-n переходе под действием света. ВФЭ, или фотоэффект в запирающем слое, — явление, при котором электроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник).
Полупроводники — это материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт [эВ]. Ширина запрещенной зоны — это разность энергий электронов в кристалле полупроводника между нижним уровнем зоны проводимости и верхним уровнем валентной зоны полупроводника.
К числу полупроводников относятся многие химические элементы: германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие, огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.) Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.
Кремнию суждено было стать материалом для солнечной энергетики благодаря его широкому распространению в природе, легкость, подходящая ширина «запрещенной зоны» 1,12 эВ для поглощения энергии солнечного света. Сегодня на рынке коммерческих систем наземного применения наиболее заметны кристаллические кремниевые (около 90% мирового рынка) и тонкопленочные солнечные элементы (около 10% рынка).
Ключевым элементом конструкции кристаллических кремниевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) является p-n переход. В упрощенном виде ФЭП можно представить в виде «бутерброда»: он состоит из слоев кремния, легированных для получения p-n перехода.
Одним из главных свойств p-n перехода является его способность быть энергетическим барьером для носителей тока, то есть пропускать их только в одном направлении. Именно на этом эффекте и базируется генерация электрического тока в солнечных элементах. Излучение, попадающее на поверхность элемента, генерирует в объеме полупроводника носители заряда с разным знаком — электроны (n) и дырки (p). Благодаря своим свойствам p-n переход «разделяет» их, пропуская каждый тип только на «свою» половину, и хаотически двигающиеся в объеме элемента носители заряда оказываются по разные стороны барьера, после чего могут быть переданы во внешнюю цепь для создания напряжения на нагрузке и электрического тока в замкнутой цепи, подключенной к солнечному элементу.
Использование солнечной энергии, солнечная энергетика — история развития, плюсы и минусы
Одна из самых важных вещей на планете Земля, которую мы используем для выполнения какой-либо деятельности, движения или развития является энергия.
Вся биосфера на многие миллионы лет надежно работает на солнечной энергии, которая улавливается растениями и запасается в виде органических соединений. Затем они используются в качестве «источника энергии» в виде пищу и животных, в том числе человека.
А вот с цивилизацией сложнее. Она получает большую часть своей энергии из ископаемого топлива, т.е. из тех запасов, которые были созданы здесь за миллионы лет растениями и которые теперь принадлежат нам. Цивилизация расходует ископаемое топливо со скоростью, в несколько раз превышающей скорость их создания.
Однако даже исчерпание этих ресурсов — не самая большая проблема. Существенно более серьезной проблемой является то, что добыча и сжигание ископаемого топлива отрицательно влияет и меняет нашу окружающую среду, особенно атмосферу. Сжигание ископаемого топлива приводит к образованию углекислого газа, что увеличивает его содержание в атмосфере и вместе метаном нарушают тепловой баланс Земли.
Для нашей цивилизации важнейшей энергией является электрическая энергия, которую легко распространять, а также использовать. Ее можно легко преобразовать во все другие формы энергии.
Однако большая часть электрической энергии по-прежнему производится на тепловых электростанциях, которые имеют относительно низкую эффективность и в основном используют ископаемое топливо или уран в качестве источников энергии.
Удивительно, что солнечный свет так легко и повсеместно доступен падая на Землю, но до последнего времени мы почти не использовали его как источник энергии.
В XXI веке мода на альтернативную энергетику набирает обороты. Причем в центре внимания оказываются возобновляемые источники энергии – приливы, ветер, в том числе и солнце.
Сейчас солнечная энергетика (или фотоэнергетика) считается одним из наиболее динамично развивающихся отраслевых секторов. Нередки совсем уж оптимистичные заявления вроде того, что вся энергетика грядущих времен будет, ни много ни мало, базироваться на солнечной энергетике.
Энергия солнца
По оценкам ученых, Солнце образовалось около 4,57 миллиарда лет назад, когда разрушилось молекулярное облако водорода. Позже, около 1 миллиарда лет назад, на Земле начала формироваться жизнь.
Строго говоря, энергия звезды по имени Солнце в «законсервированном» виде присутствует во всех видах ископаемого топлива – угле, нефти, газе. Энергия эта начала накапливаться еще на стадии роста растений, потребляющих солнечный свет и тепло, которые вследствие сложных биологических процессов превратились в углеродные ископаемые. Энергию воды, ее кругооборот также поддерживает Солнце.
Плотность солнечной энергии у верхней границы атмосферы составляет 1350 Вт/м2, она носит название «солнечная постоянная». При прохождении солнечных лучей через атмосферу Земли часть излучения рассеивается. Но и у самой поверхности Земли его плотность достаточна для возможного использования, причем даже в облачную погоду.
Сегодня считается, что каждый час на земную поверхность попадает достаточно энергии от Солнца, чтобы обеспечить потребности человечества в энергии на целый год.
С экологической точки зрения использование солнечной энергии также очень выгодно, так как она не производит никаких отходов, а при ее использовании воздух не загрязняется вредными выбросами.
С усилением индустриализации и повышением уровня жизни в густонаселенных странах, таких как Китай и Индия, глобальный спрос на энергию на душу населения растет.
Кроме того, растущее признание вклада выбросов парниковых газов не только в глобальное потепление, но и в общую деградацию окружающей среды сделало поиск альтернативных источников энергии более приоритетным, чем когда-либо прежде.
История развития
Фотогальванический эффект (т.е. возникновение стационарного тока в однородном материале при его однородном фотовозбуждении) был открыт в 1839 году французским физиком Александре-Эдмондом Бекверелем.
Немногим позже англичанин Уиллобай Смит и немец Генрих-Рудольф Герц независимо друг от друга открыли фотопроводимость селена и ультрафиолетовую фотопроводимость.
Эти открытия по существу ознаменовало начало антропогенного — в отличие от природного — использования солнечного излучения.
В 1888 году в США было запатентовано первое «устройство утилизации солнечного излучения».
Хотя экспериментально наблюдалось намного раньше, фундаментальное понимание этого явления не было сформировано до начала двадцатого века, когда Альберт Эйнштейн опубликовал статью о фотоэлектрическом эффекте и его теория квантования света (фотонов) в 1905 году, работа, которая позже принесла ему Нобелевскую премию в 1921 году.
Первые достижения российских ученых в области фотопроводимости относятся к 1938 году. Тогда в лаборатории академика Абрама Иоффе впервые был создаэлемент для преобразования солнечной энергии, который планировалось применять в солнечной энергетике.
Развитию наземной солнечной энергетики предшествовала большая работа ученых (в том числе ленинградско-петербургской научной школы – физтеховцев Бориса Коломийца и Юрия Маслаковца) в области солнечных батарей космического назначения. Они создали в Ленинградском физикотехническом институте серноталлиевые фотоэлементы, КПД которых равнялся 1% — настоящий рекорд для того времени.
Абрам Иоффе стал также автором популярного нынче решения устанавливать фотоэлементы на крышах (хотя поначалу идея широко не прижилась лишь по той причине, что недостатка в ископаемом топливе в то время никто не испытывал). Сегодня же такие страны, как Германия, США, Япония, Израиль, все активнее ставят на крышах зданий солнечные батареи, создавая таким образом «энергосберегающие дома».
Более оживленный интерес солнечная энергетика начала вызывать во второй половине XX века. Благодаря практическим разработкам в этой области были созданы теплоэлектростанции, где теплоноситель нагревался за счет прямого солнечного излучения, а турбоэлектрогенератор приводил в действие образующийся в котле пар.
По мере накопления знаний и продвижения от теории к практике возник вопрос рентабельности солнечной генерации.
В 1954 году Bell Laboratories (Дэрил Чапин, Кэлвин Фуллер и Джеральд Пирсон) производили кремниевые фотоэлектрические элементы, способный генерировать достаточно энергии от солнца для работы повседневного электрического оборудования. Они уже имели приемлемый КПД 6%, но были слишком дороги в производстве.
В 1957 году началось использование фотогальванических элементов в качестве источника энергии на искусственных спутниках Земли (первый спутник с фотогальваническими элементами был запущен 17 марта 1958 г.).
Фотоэлектрические элементы начали использоваться на Земле в 1970-х годах для питания навигационных огней на маяках.
Поначалу задачи солнечной энергетики не простирались дальше энергообеспечения локальных объектов, например труднодоступных или удаленных от центральной энергосистемы. Еще в 1975 г. суммарная мощность всех солнечных установок на планете составляла всего 300 кВт, а стоимость пикового киловатта мощности достигала 20 тыс. долларов.
В 1980-х годах были построены первые пробные солнечные фотоэлектрические электростанции. В 1981 году над каналом Ла-Манш пролетел первый самолет на солнечных батареях.
Сеть товаров для дома Home Depot начала продавать бытовые солнечные электростанции в трех магазинах в Сан-Диего, Калифорния (США), в 1991 году, а год спустя расширила продажи до 61 магазина по всей стране.
В 1999 году солнечные батареи достигли мощности 1 гигаватт по всему миру, а в 2004-2005 гг. произошел рост фотоэлектрического рынка на 42%.
Принцип действия солнечных электростанций:
Но, конечно, для старта солнечной энергетики – даже без учета экономической составляющей – требовалась существенно большая эффективность. И ее удалось в какой-то степени добиться. КПД современных кремниевых полупроводниковых генераторов равен уже 15-24% (смотрите — Эффективность солнечных элементов и модулей), благодаря чему (а также падению их в цене) сегодня наблюдается устойчивый спрос.
Выпуск солнечных батарей освоили крупные мировые компании – такие, как Siemens, Kyocera, Solarex, BP Solar, Shell и другие. Стоимость одного ватта установленной электрической мощности на полупроводниковых фотоэлементах снизилась до 2 долларов.
Еще в советское время было рассчитано, что установленные в районе Аральского моря 4 тыс. км 2 солнечных модулей способны обеспечить покрытие годовой потребности в электроэнергии всего земного шара. А КПД тогдашних батарей не превышал 6%.
В прошлом веке 10-мегаваттные солнечные электростанции (СЭС) были созданы в США, Франции, Испании, Италии и других «солнечных» странах. В СССР первая экспериментальная солнечная станция мощностью 5 МВт была построена на Керченском полуострове, где количество солнечных дней в году одно из самых высоких в регионе.
Некоторые из этих станций еще работают, многие прекратили функционирование, но можно с уверенностью утверждать, что они не могут принципиально конкурировать с современными солнечными фотоэлектрическими системами.
Концентрированная солнечная технология является одной из сегодняшних возможностей для производства электроэнергии от солнца. Одним из популярных решений промышленных солнечных электростанций такого типа являются тепловые солнечные электростанции башенного типа.
Главное преимущество этой технологии, что он позволяет с помощью щелочных солей накапливать солнечное тепло в тепловом накопителе и впоследствии производить из него электроэнергию даже в ночное время.
Щелочные соли заряжаются в течение дня из так называемого ресивера, в котором концентрируются солнечные лучи. Жидкие соли проходят через ресивер и нагреваются в нем. Впоследствии пар производится путем передачи тепла от соли, которая вращает турбину, производящую электрическую энергию.
В основном в таких солнечных электростанциях хранится тепловая энергия, которая при необходимости преобразуется в электрическую с помощью паровой турбины. Эта технология может в будущем заменить ископаемые источники энергии, такие как уголь или газ.
Сильные стороны солнечной энергетики всем очевидны и в пространных пояснениях не нуждаются.
Во-первых, ресурсов Солнца хватит надолго – продолжительность существования звезды оценивается учеными примерно в 5 млрд. лет.
Во-вторых, использование солнечной энергии не грозит выбросами парниковых газов, глобальным потеплением и общим загрязнением окружающей среды, т.е. не влияет на экологический баланс планеты.
Фотоэлектрическая станция мощностью 1 МВт за год производит порядка 2 млн. кВт . ч. Тем самым предотвращается эмиссия углекислого газа по сравнению с топливной электростанцией в следующих объемах: на газе около 11 тыс. тонн, на нефтепродуктах 1,1-1,5 тыс. тонн, на угле 1,7-2,3 тыс. тонн.
К узким местам солнечной энергетики относятся, во-первых, все еще недостаточно высокий КПД, во-вторых, недостаточно низкая себестоимость киловатт-часа – то, что вызывает вопросы в связи с широким использованием любого возобновляемого источника энергии.
К этому добавляется тот факт, что изрядное количество солнечных излучений у поверхности Земли рассеивается неконтролируемо.
Экологическая безопасность тоже, строго говоря, под вопросом – ведь как быть с утилизацией отработанных элементов, пока неясно.
Ну и, наконец, степень изученности солнечной энергетки – что бы ни говорили – пока далека от совершенства.
Наиболее «слабым звеном» солнечной энергетки является низкий КПД батарей, решение этой проблемы – вопрос лишь времени.
Использование
Да, получение энергии из Солнца – проект не самый дешевый. Но, во-первых, за последние тридцать лет один ватт, выработанный посредством фотоэлементов, подешевел в десятки раз. А во-вторых, «на руку» солнечной энергетике играет стремление европейских стран снизить зависимость от традиционных энергоносителей. Кроме того, не стоит забывать о Киотском протоколе. Сейчас можно сказать, что солнечная энергетика развивается уверенными темпами и с точки зрения науки, и с точки зрения коммерции.
Сегодня солнечная энергия наиболее активно используется в трех целях:
- отопление и горячее водоснабжение, а также кондиционирование воздуха;
- конвертация в электрическую энергию с помощью солнечных фотоэлектрических преобразователей;
- масштабное производство электроэнергии на основе теплового цикла.
Солнечную энергию не обязательно конвертировать в электрическую, а вполне можно использовать как тепловую. Например, для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных объектов.
В основе принципа работы конструкции солнечных нагревательных систем – нагревание антифриза. Затем тепло передается в баки-аккумуляторы, расположенные обычно в подвале, и расходуется оттуда.
Одним из крупнейших потенциальных потребителей фотоэнергетики является сельскохозяйственный сектор, который самостоятельно способен потреблять сотни мегаватт пиковой энергии фотоэнергосистем в год. К этому можно добавить навигационное обеспечение, энергообеспечение систем телекоммуникаций, систем для курортно-оздоровительного и туристического бизнеса, а также коттеджей, уличных солнечных фонарей и т. д.
Сегодня всерьез рассматривается возможность абсолютно фантастических, с точки зрения обывателя, способов применения солнечной энергетики. Например, проекты орбитальных солнечных станций или, что еще фантастичнее, солнечных электростанций на Луне.
И такие проекты действительно есть. В космосе концентрация солнечной энергии значительно выше по сравнению с нашей голубой планетой. Передача энергии на Землю возможна с помощью направленного светового (лазерного) или сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Прямое преобразование солнечной энергии в электричество
От недостатков, присущих машинным преобразователям, в известной степени свободны энергоустановки с так называемыми безмашинными преобразователями: термоэлектрическими, термоэмиссионными и фотоэлектрическими (солнечные батареи), непосредственно преобразующими энергию солнечного излучения в электрический ток.
Термоэлектрический метод
Термоэлектрогенераторы (ТЭГ) основаны на открытом в 1821 году немецким физиком Т.И. Зеебеком термоэлектрическом эффекте, состоящем в возникновении на концах двух разнородных проводников термо-ЭДС, если концы этих проводников находятся при разной температуре.
Открытый эффект первоначально использовался в термометрии для измерения температур. Энергетический КПД таких устройств-термопар, подразумевающий отношение электрической мощности, выделяемой на нагрузке, к подведенному теплу, составлял доли процента. Только после того, как академик А.Ф. Иоффе предложил использовать для изготовления термоэлементов вместо металлов полупроводники, стало возможным энергетическое использование термоэлектрического эффекта, и в 1940-1941 годах в Ленинградском физико-техническом институте был создан первый в мире полупроводниковый термоэлектрогенератор. В 40-50-е годы была разработана теория термоэлектрического эффекта в полупроводниках, а также синтезированы весьма эффективные (по сей день) термоэлектрические материалы.
Термоэмиссионный преобразователь (тэп)
Открытое Эдисоном явление получило название термоэлектронной эмиссии. Подобно термоэлектричеству, оно долгое время применялось в технике слабых токов. Позднее ученые обратили внимание на возможности использования метода для преобразования тепла в электричество.
Фотоэлектрический метод преобразования энергии
Солнечная батарея (рис. 5) основана на явлении внешнего фотоэффекта, проявляющегося на р-n -переходе в полупроводнике при освещении его светом. Создают р-n (или n—p) — переход введением в монокристаллический полупроводниковый материал-базу примеси с противоположным знаком проводимости. Например, в кремний вводят алюминий или литий. В результате при попадании на р-n -переход солнечного излучения происходит возбуждение электронов валентной зоны и образуется электрический ток во внешней цепи. КПД современных солнечных батарей достигает 13—15%. Наиболее перспективным для создания преобразователей СКЭС ультратонкие солнечные элементы, имеющие КПД порядка 15% при удельных характеристиках 1 кВт/м 2 и 200 Вт/кг. При использовании в качестве преобразователя СКЭС мощностью 10 ГВт этих солнечных батарей их площадь составила бы 50км 2 при весе 10 тыс.т.
4.2. Энергия ветра
Ветровая энергия представляет собой возобновляемый источник энергии, являющийся вторичным по отношению к солнечной энергии. Причиной возникновения ветра является разности температур в атмосфере, образующиеся в результате действия солнечного излучения, которые, в свою очередь, обуславливают возникновение различных давлений. Ветер возникает в процессе рассеивания энергии, накопившейся вследствие наличия этих различных давлений.
По оценкам различных авторов, общий ветроэнергетический потенциал Земли равен 1200 ТВт, однако возможности использования этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20-30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для преобразования. Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м², может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м².
Энергия, содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра. Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен 59,3%. На практике, согласно опубликованным данным, максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50%, однако и этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75-95%. Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30-40 % мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальный электрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в теченин года, видимо составляет 15-30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата.
Сооружаются ветроэнергетические установки преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину-генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше , чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении.
Особенности работы ветроэнергетических установок в настоящее время хорошо изучены. Проводятся испытания и совершенствуются конструкции ветроагрегатов. В близком будущем, вероятно, начнется их широкое производство. Построенные до настоящего времени очень крупные ветроагрегаты представляли собой лишь прототипы будущих установок. Все они работали в течение ограниченных периодов времени. Время от времени с ними случались аварии или неполадки, которых, вероятно, можно было бы избежать, если бы была проведена надлежащая техническая подготовка. Нет никаких существенных технических проблем, которые бы ограничивали широкое использование ветроагрегатов в ближайшем будущем. В настоящее время в большинстве национальных программ преобладают двухлопастные пропеллерные ветроагрегаты с горизонтальной осью вращения. Подавляющее большинство всех крупных ветроэлектрических агрегатов, построенных в прошлом, имели двух- или -трехлопастные ветроколеса. Однако строились и другие типы ветроагрегатов. Например, ротор Дарье с вертикальной осью, однолопастной ветроагрегат с горизонтальной осью и т.д. Каждая из конструкций имеет определенные преимущества. Вместе с тем такие конструкции вряд ли станут преобладающими в развитии ветроэнергетики.
Несмотря на отсутствие необходимых данных о параметрах ветра и трудности с выбором площадок ветроагрегатов, представляется возможным дать приблизительную оценку вклада ветровой энергии в мировой энергетический баланс: в 1990г. установленная мощность 10 ГВт и годовое производство электроэнергии 30 ТВт*ч, а в 2000г. 200 ГВт и 900 ТВт*ч.
Решающим фактором, который определит, значителен ли будет вклад ветровой энергии и удовлетворение потребностей человека в энергии в течение ближайших 50 лет, является возможность создания соответствующей технологии. Он связан в основном с национальной энергетической политикой, затратами и приемлемостью таких установок для населения.
Наиболее вероятно, что развитие ветроэнергетики в ближайшем будущем будет осуществляться на базе использования ветроэнергетических установок в диапазоне единичных мощностей от 5 до 100 кВт. Такие установки будут применяться для нужд насосного водоснабжения и для сельской электрификации совместно с электрическими аккумулирующими устройствами, рассчитанными на электроснабжения потребителей в течение 2 суток. Разрабатываются также ветроэнергетические установки единичной мощностью в диапазоне от 100 кВт до 5 МВт, предназначенные для выработки электроэнергии в составе существующих энергетических систем.
Ветродвигатель, устройство, преобразующее энергию ветра в энергию вращательного движения. Основным рабочим органом ветродвигателя является вращающийся агрегат – колесо, приводимое в движение ветром и жестко связанное с валом, вращение которого приводит в действие оборудование, выполняющее полезную работу. Вал устанавливается горизонтально или вертикально. Ветродвигатели обычно используются для выработки энергии, потребляемой периодически: при накачке воды в емкости, помоле зерна, во временных, аварийных и местных сетях электропитания.
Первой лопастной машиной, использовавшей энергию ветра, был парус. Парус и ветродвигатель кроме одного источника энергии объединяет один и тот же используемый принцип. Исследования Ю. С. Крючкова показали, что парус можно представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной, с наивысшим коэффициентом полезного действия, которая непосредственно использует энергию ветра для движения.
Ветроэнергетика, использующая ветроколеса и ветрокарусели, возрождается сейчас, прежде всего, в наземных установках. В США уже построены и эксплуатируются коммерческие установки. Проекты наполовину финансируются из государственного бюджета. Вторую половину инвестируют будущие потребители экологически чистой энергии.
Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.
Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей. Основные разновидности ветроагрегатов изображены на рис. 4.3.
Они делятся на две группы:
– ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2. 5);
– ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)).
Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.
Рис.4.3. Типы ветродвигателей
Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра не изменяя своего положения.
Коэффициент использования энергии ветра (см. рис. 4(3.9)) у крыльчатых ветродвигателей намного выше, чем у карусельных. В то же время, у карусельных – намного больше момент вращения. Он максимален для каруcельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра.
Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.
Карусельные
Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра
Рис. 4. Коэффициенты использования энергии ветра и вращающие моменты различных типов ветродвигателей
они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование – использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов не эффективно из-за низкого КПД последних.
Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем «откуда дует ветер», что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.
Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.
Ортогональные
Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска.
В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете (см. рис. 3 (6)). Самолет, прежде чем «опереться» на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию – раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора.
Сравнительно медленное внедрение ВЭУ в практическую энергетику обусловлено рядом объективных причин.
Первая причина связана с особенностями ветра как источника энергии. Ветер обладает крайне непостоянными характеристиками, имеет большие текущие (мгновенные) колебания скорости, средние скорости ветра существенно изменяются в суточном и годовом цикле. Мировая практика показала, что при среднегодовых скоростях ветра менее 4. 5 м/с применение ВЭУ неэффективно. Исходя из этих условий, согласно ветровому кадастру страны, не более 40% ее территории может использоваться для выработки электроэнергии. Значительным ветроэнергетическим потенциалом обладают зоны побережья и островов Северного Ледовитого и Тихого океанов, Азово-Черноморская и Каспийская зоны
Вторая причина связана с особенностями преобразования энергии ветра в электрическую Во всем мире базовой моделью для ВЭУ единичной мощностью до 300 кВт является двух- или трехлопастное ветроколесо горизонтально-пропеллерного типа, поднятое на соответствующую высоту с помощью башни. Для ВЭУ мегаваттного класса разрабатываются конструкции с вертикальной осью вращения. Диаметр ветроколеса для малых мощностей измеряется метрами, средних и больших — десятками метров.
Третьей причиной медленного внедрения в практику ВЭУ является их высокая стоимость. По данным различных источников стоимость 1 кВт вводимой в эксплуатацию мощности ВЭУ составляет от 1000 до 1500 долл. США, что в несколько раз превышает капиталовложения в дизельные электростанции небольшой мощности (до 300 кВт), составляющие 200. 250 долл./кВт.
Эти общеизвестные причины могут быть дополнены специфическими причинами отсутствия ВЭУ даже на тех объектах ОАЭ, где применение их по метеоусловиям кажется очевидным (объекты гидрометеослужб, объекты связи на Севере и Дальнем Востоке, вахтовые поселки, малые городки в районах нефтедобычи и лесоразработок и т.п.). К ним относятся:
1) специфические резкопеременные графики нагрузок;
2) соизмеримая мощность отдельных потребителей с мощностью источника и, как следствие, динамические нагрузки на источник;
3) наличие особой группы электроприемников I категории, не допускающих перерывов в электроснабжении;
4) высокие требования к надежности оборудования, обусловленные низкой квалификацией обслуживающего персонала и невозможностью проведения ремонтных работе межнавигационный период.
Можно указать следующие достоинства и недостатки энергии ветра: отсутствие влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, отсутствие потребления кислорода, выбросов углекислого газа и других загрязнителей, возможность преобразования в различные виды энергии (механическую, тепловую, электрическую), однако при этом низка плотность энергии, приходящаяся на еденицу площади ветрового колеса; непредсказуемые изменения скорости ветра в течении суток и сезона требуют резервирования ветровой станции или аккумулирования произведенной энергии; отрицательное влияние на среду обитания человека и животных, на телевизионную связь и пути сезонной миграции птиц
Основным недостатком ветроэнергетических станций является изъятие под их строительство больших площадей земельных ресурсов. Под мощные промышленные ветроэнергетические станции необходима площадь из расчета от 5 до 15 км 2 /МВт в зависимости от розы ветров и местного рельефа района. Максимальная мощность, которая может быть получена с км 2 площади меняется в зависимости от района использования, типа станций и технологических особенностей конструкции. Среднее значение находится в диапазоне 10 МВт. Для ВЭС мощностью 1000 МВт потребуется площадь 70-200 км 2 , хотя частично эти земли могут использоваться для сельскохозяйственных нужд, что в большей мере зависит от шумовых эффектов и степени риска при поломках ВЭУ. Например, у больших ВЭУ лопасть при поломках и отрыве может быть отброшена на 400-800 метров.