Солнечная батареи и коллекторы

Каталоги / Солнечная батареи и коллекторы

Энергия Солнца 

Человечество издавна использует энергию Солнца: для сушки одежды, приготовления пищи, освещения жилища. Солнце – неисчерпаемый и экологически чистый источник энергии. Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м². Здесь следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). А зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше, но, даже, несмотря на это, количество солнечной энергии, поступающей на Землю, превышает энергию всех мировых запасов энергетических ресурсов. Использование всего лишь 0,0125 % могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% - полностью покрыть потребности в будущем.

На данный момент солнечную энергию используют в основном двумя методами - в виде тепловой энергии путем применения различных термосистем или посредством фотохимических реакций. Использование термосистем в основном идёт по двум направлениям: для горячего водоснабжения и отопления. Установки и системы солнечного теплоснабжения делятся на пассивные и активные.

В пассивных системах поглощение и аккумулирование солнечной энергии осуществляется непосредственно элементами строительных конструкций при использовании дополнительных устройств или без них. Во многих странах для зданий характерны толстые стены, аккумулирующие энергию, и ориентация окон на солнечную сторону. Уже в наше время были разработаны усовершенствования этой "системы". Стена, обращенная на юг, окрашивается в черный цвет, перед стеной располагается остекленная поверхность, а между ними остается воздух, который нагревается и циркулирует вдоль стены, создавая эффект теплой воздушной прослойки.

Активные системы основаны на использовании коллекторов, устройств, преобразующих солнечную энергию в тепло. Солнечные коллекторы могут быть двух типов: тепловая труба и определённым образом смонтированный теплопровод, внутри которого циркулирует вода, нагреваемая солнечным излучением, которое улавливает наружная поверхность устройства. Что же касается тепловой трубы, то принцип работы тут простой (Рис.1).

Тепловая труба

Обычная тепловая труба из неорганического стекла состоит из стеклянной вакуумированной колбы, в которую вставлена медная трубка. Медная трубка герметично запаяна с расширением в верхней части. Внутри неё находиться специальная легкокипящая жидкость. При нагревании устройства Солнцем жидкость закипает и в парообразном состоянии поднимается в верхнюю часть – наконечник (конденсатор), температура на котором может достигать 250-300°С. Там она конденсируется, отдавая тепло воде, которая течет по теплопроводу (Рис. 2), а конденсат стекает по стенкам трубки вниз и процесс повторяется.

Тепловая труба собранная в коллектор

Тепловые трубки с использованием неорганических теплоносителей демонстрируют эффективность теплопередачи в 30 000 раз большую, чем у серебра.

Другой способ аккумулирования и использования солнечной энергии - фотоэлектрический. Метод прямого преобразования солнечного излучения в электричество является удобным для потребителя и считается наиболее экологически чистым по сравнению с другими способами получения электричества, которые используют органическое топливо, ядерное сырьё или гидроресурсы.

Основой солнечного фотоэлемента является пластина полупроводника с p-n переходом, она может быть изготовлена из селена, кремния, арсенида галлия, диселенида кремния и т.д. Работа такого элемента основана на явлении фотоэффекта, открытом еще в позапрошлом столетии Г.Герцем. Теорию фотоэффекта создал А.Ейнштейн в 1905 году, за что был награждён Нобелевской премией. В двух словах суть эффекта заключается в том, что энергия квантов солнечного света переходит в энергию потока электронов в материале.

Возникает вопрос: какую же электрическую мощность можно получить от солнечного элемента? Это определяется как условиями освещения, так и характеристиками самого солнечного элемента. Монокристаллический кремниевый солнечный элемент размером 100х100 мм2 и толщиной 280 мкм (Рис. 3), при КПД 14.5% в условиях стандартного освещения мощностью 100 мВт/см2, может подать на внешнюю нагрузку напряжение 0.49В и ток 3А, то есть выделить 1.45Вт мощности. Объединяя такие фотомодули, можно создавать электростанции разной мощности, от нескольких ватт до нескольких мегаватт (Рис.4).

Фотомодуль

Для того, чтобы не зависеть от суточного и сезонного солнечного цикла и состояния атмосферы существуют технические методы накопления энергии, такие как электрохимическое накопление аккумуляторами, механическое накопление (с помощью вращающихся маховиков) и в форме водорода. Также возможно сочетание фотоэлементов с другими источниками энергии, например, наиболее вероятно сочетание с ветровыми установками (Рис.5), а также с системами на ископаемом топливе.

 Солнечная труба

Рис.5 Солнечная Труба преобразует солнечное излучение (прямое и рассеянное) в электричество, новым способом комбинируя три общеизвестных принципа: парниковый эффект, вытяжную трубу и ветрогенератор. Горячий воздух образуется под большой стеклянной крышей вследствие нагрева солнцем. Воздух движется к трубе, расположенной в середине крыши, и вытягивается в нее. При этом поток воздуха вращает расположенные в основании трубы турбины.

Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии является одним из наиболее быстро развивающихся в мире направлением использования возобновляемых источников энергии. Согласно обзору рынка компании Solarbuzz, мировой объем производства фотоэлементов в 2008 г. достиг 6,85 ГВт (почти двукратный рост по сравнению с 3,44 ГВт, произведенными в 2007 г.). Китай и Тайвань, увеличив свою долю в мировом производстве фотоэлементов с 35% до 44%, подтвердили свое лидерство в этом секторе, оставив далеко позади Германию и Японию. В то же время, ведущим производителем фотоэлементов остается немецкая компания Q-Cells, на третьем — по-прежнему, Suntech (Китай), а вот на второе месте в 2008 г. вышла компания First Solar (США), использующая тонкопленочные технологии. Всего же производство тонкопленочных фотоэлементов выросло на 123% до 0,89ГВт. Кроме того, по сравнению с другими видами производства электроэнергии за счет возобновляемых источников, солнечная фотоэнергетика обладает наибольшим потенциалом долгосрочного роста. Согласно прогнозу Европейской ассоциации фотовольтаики (EPIA), к 2030 г. солнечные батареи будут производить до 2646 ТВт электроэнергии, удовлетворяя от 8.9 до 13.8% мировых потребностей. Годовой объем рынка фотовольтаики достигнет €454 млрд.