Перспективы развития

Энергия Солнца экологически чистая уже потому, что миллиарды лет поступает на Землю, и все земные процессы с ней свыклись. Поток солнечной энергии люди просто обязаны взять под свой контроль и максимально использовать, сохраняя тем самым неизмененным уни­кальный земной климат.

Несколько ключевых цифр. За год на Землю приходит 1018 кВт-ч солнечной энергии, всего 2% которой эквивалентны энергии, полу­чаемой от сжигания 2х1012 т условного топлива. Эта величина сопо­ставима с мировыми топливными ресурсами — 6х1012 т условного топлива. Так что в перспективе солнечная энергия вполне может стать основным источником света и тепла на Земле, отмечает доктор физико — математических наук Б. Лучков (http://www. pomreke. ru/energy-futxire/).

Причина медленного развития солнечной энергетики проста: сред­ний поток радиации, поступающий на поверхность Земли от нашего светила, очень слаб.

Пример.

Например, на широте 40° он составляет всего 0,3 кВт/м2 — почти в пять раз меньше того потока, который приходит на границу атмосферы (1,4 кВт/м2). К тому же он зависит от времени суток, сезона года и погоды.

Чтобы усилить поток солнечной энергии, надо собирать ее с боль­шой площади с помощью концентраторов и запасать впрок в акку­муляторах. Пока это удается сделать в так называемой малой энерге­тике, предназначенной для снабжения светом и теплом жилых домов и небольших предприятий.

Среди солнечных электростанций (СЭС), способных обеспечить электроэнергией, например, небольшой завод, более других распро­странены СЭС башенного типа. Эти СЭС имеют котел, поднятый высоко над землей, и большое число параболических или плоских зеркал (гелиостатов), расположенных вокруг основания башни.

Зеркала, поворачиваясь, отслеживают перемещение Солнца и направляют его лучи на паровой котел. Вырабатываемый котлом пар, так же как на тепловых электростанциях, приводит в действие тур­бину с электрогенератором.

Солнечные электростанции мощностью 0,1—10 МВт построены во многих странах с «хорошим» солнцем (США, Франция, Япония). Не так давно появились проекты более мощных солнечных электро­станций (до 100 МВт).

Н

Примечание.

Главное препятствие на пути их широкого распространения сол­нечных электростанций — высокая себестоимость электроэнер­гии: она в 6—8 раз выше, чем на ТЭС

Но с применением более простых по конструкции, а значит, и более дешевых гелиостатов себестоимость электроэнергии, вырабатываемой солнечными электростанциями, должна существенно снизиться.

Фототермические и фотоэлектрические преобразователи света

Существуют два основных способа преобразования солнечной энергии:

♦ фототермический;

♦ фотоэлектрический.

В первом, простейшем, фототермическим, теплоноситель (чаще всего вода) нагревается в коллекторе (системе светопоглощающих труб) до высокой температуры и используется для отопления поме­щений. Коллектор устанавливают на крыше здания так, чтобы его освещенность в течение дня была наибольшей. Часть тепловой энер­гии аккумулируется: краткосрочно (на несколько дней) — тепловыми аккумуляторами, долгосрочно (на зимний период) — химическими.

Солнечный коллектор простой конструкции площадью 1 м2 за день может нагреть 50—70 л воды до температуры 80—90 °С.

Использование солнечных коллекторов позволяет снабжать горячей водой многие дома в южных районах.

Н Примечание.

И все же будущее солнечной энергетики за прямым преобразованием солнечного излучения в электрический ток с помощью полупрово­дниковых фотоэлементов — солнечных батарей.

Еще в 30-х годах прошлого века, когда КПД первых фотоэлементов едва доходил до 1%, об этом говорил основатель Физико-технического института (ФТИ) академик А. Ф. Иоффе. Предвидение ученого вопло­тилось в жизнь в конце 1950-х годов с запуском искусственных спут­ников Земли, главным энергетическим источником которых стали панели солнечных батарей. Сейчас во всех странах мира идет актив­ная продажа солнечных батарей.

Солнечные элементы — принципы работы

Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, кото­рые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготав­ливается из кремния (химический символ Si). Устройство солнечного элемента показано на рис. 3.1.

Типы солнечных элементов. СЭ может быть следующих типов:

♦ монокристаллический;

♦ поликристаллический;

♦ аморфный.

Свет (фотоны)

Передний контакт Отрицательный слой Слой отклонения Положительный слой Задний контакт

Рис. 3.1. Устройство солнечного элемента

Различие между этими формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные СЭ имеют разный КПД преобразо­вания энергии света. Моно — и поликристаллические элементы имеют

почти одинаковый КПД, который выше, чем у СЭ, изготовленных из аморфного кремния (http://www. solarhome. ru/ru/basics/).

Прежде всего, в СЭ имеется задний контакт и 2 слоя кремния раз­ной проводимости. Сверху имеется сетка из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает СЭ характер­ный синий оттенок.

В последние годы разработаны новые типы материалов для СЭ. Например, тонкопленочные СЭ из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти СЭ в последнее время также коммерчески используются.

КПД солнечных элементов:

♦ монокристаллические — 12… 15 %;

♦ поликристаллические — 11…14 %;

♦ аморфные — 6 …7 %;

♦ теллурид кадмия — 7…8 %.

Пиковый ватт. СЭ производит электричество, когда освещается светом. В зависимости от интенсивности света (измеряемой в Вт/м2), солнечный элемент производит больше или меньше электричества: яркий солнечный свет более предпочтителен, чем тень, и тень более предпочтительна, чем электрический свет.

Для сравнения СЭ и модулей необходимо знать так называемую номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мощ­ность, выращенная в ваттах пиковой мощности Wp, — это мера того, сколько электроэнергии может произвести фотоэлектрический модули при оптимальных условиях.

Для определения и сравнения номинальной мощности солнечных панелей, выходная мощность измеряется при стандартных тестовых условиях (СТУ). Эти условия предполагают:

♦ освещенность 1000 Вт/м2;

♦ солнечный спектр AM 1.5 (он определяет тип и цвет света);

♦ температура элемента 25 °С (это важно, так как эффективность СЭ падает при повышении его температуры).

Пример. Кристаллический кремниевый СЭ с размерами 10х 10 см имеет пико­вую мощность примерно 1,5 Wp. Большинство панелей с площадью 1 м2, если они сделаны из кристаллических кремниевых элементов, имеют номинальную мощность около 100 Вт ^

Ию

Им

■111