Надточей Кирилл

Способы генерирования электроэнергии.

Данный материал разрешено использовать в учебных целях.

Поток солнечных лучей, попадающих непосредственно на поверхность Земли, имеет максимальную плотность 1 киловатт на метр квадратный. Диапазон длины волн при этом составляет 0,3-2,5 мкм.

Такое излучение получило название «коротковолновое». Следует отметить, что такой тип излучения состоит из лучей видимого спектра.

Солнечные лучи представляют собой поток энергии, получаемый из общедоступного источника с повышенными температурными показателями (температура Солнца составляет порядка 6 тысяч градусов по Кельвину) по сравнению с привычными энергетическими источниками.

Оборудование, которое использует энергию Солнца с целью генерации электроэнергии, могут быть размещены как на планете Земля, так и за пределами ее атмосферы.

Когда коротковолновое излучение от солнца проходит сквозь атмосферные слои, то оно разделяется по типам осуществления взаимосвязи:

Поглощение энергии. 

Лучи трансформируются в тепло путем возбуждения молекул.

Рассеивание лучей. 

То направление, в котором происходило изначальное движение лучей, изменяется, а угол их попадания на земную поверхность искажается.

Отражение лучей. 

Этот тип взаимодействия не имеет зависимости от того, под каким углом происходит падение лучей. Порядка 30 процентов концентрированного потока лучей Солнца из космического пространства посредством отражения отправляется обратно. Отражение происходит благодаря облакам или снежной поверхности (льду), покрывающим поверхность Земли.

Помимо генерации электроэнергии при помощи гелиосистем, излучение от солнца используется в отопительных целях(в отдаленным районах с низким температурным режимом и недостаточным количеством отопительных ресурсов), а также с целью горячего водоснабжения.

Концентрированный поток солнечной энергии может предоставить диапазон температур от 100 до 700 градусов Цельсия. Этих температурных показателей будет достаточно, чтобы обеспечить функционирование теплового двигателя, имеющего сравнительно высокий коэффициент полезного действия.

Существует технология создания специальных концентраторов параболической конфигурации. Только вот изготовление такого устройства диаметром более 30 метров является проблематичным. Если же учесть мощность подобного оборудования (порядка 700 киловатт, то есть 200 киловатт в час электричества), то финансовые и временные затраты вполне оправданы. Такой мощности концентратора вполне хватит для энергообеспечения малых энергетических систем. Коммунальные сети стационарного вида требуют больших показателей мощности  и продуктивности.

Преобразование солнечной энергии по термодинамическому методу 

Метод преобразования энергии с использованием явления термодинамики позволяет получить электроэнергию из солнечных лучей почти аналогично генерации электричества посредством использования других энергетических источников.

Следует учитывать тот факт, что излучение, попадающее на земную поверхность, имеет определенные особенности:

• сниженные показатели плотности;
• наличие цикличности в течение суток;
• наличие цикла в зависимости от сезона;
• влияние погодных условий.

Термодинамическое преобразование должно происходить таким образом, чтобы применение различных показателей тепла не влияло на продуктивность функционирования системы. Это значит, что следует обязательно использовать в подобной системе накопители энергии, чтобы исключить вероятные колебания эксплуатационных режимов работы системы. Аккумуляторы позволят обеспечить заданное количество энергии с привязкой ко времени.

Устройство, благодаря которому становится возможным процесс термодинамического преобразования солнечного излучения, обязано иметь в составе такие технические составляющие:

• система приема, которая занимается преобразованием солнечной энергии в тепловую (тепловая энергия впоследствии переходит к теплоносителю);
• система, позволяющая переносить тепловой носитель от системы приема к накопителю или теплообменникам (именно в них происходит нагревание рабочего тела);
• система, позволяющая управлять падающей солнечной радиацией;
• тепловой накопитель энергии;
• теплообменники.

Солнечные электростанции, в основе работы которых лежит использование принципа термодинамики в преобразовании энергетического потока, в основе своей работы имеют 2 фундаментальных пути.

Первый путь позволяет использовать малые централизованные станции в отдаленных или труднодоступных регионах.

Второй путь регламентирует использование солнечных установок большого размера (их мощность – порядка 20-30 МВт). Оборудование такого типа применяется в мощных энергосистемах.

Солнечные коллекторы

В своем составе установка, воспринимающая солнечные лучи имеет важную конструктивную составляющую – солнечный коллектор. Это устройство улавливает солнечные лучи. Дальше происходит трансформация энергетического потока от солнца в тепло с последующим нагреванием воды, воздуха и других теплоносителей.

Существуют коллекторы фокусирующие и имеющие плоскую конфигурацию. 

Первый тип коллектора осуществляет поглощение энергетического потока лучей с дальнейшим концентрированием. Другими словами – возрастают показатели плотности потока. Если же говорить о солнечных коллекторах, имеющих плоскую конфигурацию, то тут поглощение происходит без концентрации.

Концентраторы радиации или солнечного потока энергии

Посредством концентратора происходит увеличение показателей плотности радиационного потока солнечных лучей. Концентратор представляет собой специальное оборудование, имеющее вид  набора линз (или зеркальных поверхностей). 

Оптические поверхности в такого рода устройствах бывают плоской формы, параболоцилиндрической или параболоидной. Для изготовления этого компонента используются материалы, имеющие высокие показатели отражения (тонкая металлическая пластина или фольгированный материал).

Выделяют две разновидности СЭС: башенной и модульной конфигурации.

Модульная электростанция представлена в виде большого количества коллекторов, концентрирующих излучение. Коллекторные установки не зависят друг от друга и производят слежение за солнцем самостоятельно.

Следует заметить, что концентратор может не быть в виде параболоида. Эта конфигурация наиболее продуктивна, но не является обязательной.

Задача концентрационного оборудования состоит в передаче энергии теплоносителю, точнее – его наполнению. Нагретая жидкость (содержимое теплового носителя) подается в центральную часть станции. В качестве жидкости теплообменника может использоваться термохимическая составляющая (к примеру, диссоциированное соединение аммиака) или водяной пар (для прямого использования паровой турбиной)

Системы, состоящие из сосредоточенных коллекторных установок, характеризуются рядом минусов:

• каждый отражатель нуждается в отдельном теплоприемнике,  имеющем сложную конструкцию;
• если предположить, что придется снять энергию с 20 тысяч отражателей, имеющих форму параболоида, то понадобится дорогостоящий обменный контур, способный выдержать высокую температуру (учитывая привод генератора в 100 мегаватт). Контур будет служить соединением для отделенных друг от друга концентрационных установок.

Недостатки нивелируются, если заменить 10 000-20 000 приемников одним подобным относительно габаритных размеров и конфигурации устройством. Важным требованием является поднятие устройства над землей. 

В таком виде и существует солнечная станция башенного типа. Концептуальное отличие ее состоит в том, что происходит замена параболических отражателей плоскими. Это значительно удешевляет технологию.

Использование солнечных прудов

Солнечным прудом называют нагревательное сооружение, предполагающее в роли теплозащитной крышки использовать воду.

В качестве основы может быть использован крупный водоем (природный или вырытый специально для этой цели). Такая технология не требует больших финансовых затрат. Например, на территории Израиля роль солнечного пруда может играть Мертвое море. 

В составе солнечного пруда имеется накопитель тепловой энергии, именно поэтому сфера применения его достаточно обширна.

Применение солнечного пруда:

• в системах солнечного теплообеспечения объектов;
• в обеспечении горячей водой жилых домов;
• с целью выработки тепловой энергии для технологических нужд;
• в кондиционировании (кондиционеры абсорбционного вида);
• генерация электричества.

Солнечный пруд способен параллельно выступать в роли коллектора и накопителя тепловой энергии.

Технология создания солнечного пруда предполагает заливку разных по плотности (за счет концентрации солей) слоев воды. Слой воды, где концентрация соли самая высокая, находится на дне водоема. Его ширина составляет порядка полуметра.

Посредством поглощения солнечных лучей дном, имеющим темный цвет, самый нижний слой воды нагревается.

Плотность водного слоя на дне с повышением температуры снижается, но смешения с последующим слоем не происходит из-за правильно рассчитанной концентрации соли в воде. 

Конвекция в солнечном пруде отсутствует, то есть нагретая вода со дна не поднимается на поверхность, как это происходит в обычных водоемах. Таким образом, температура придонного слоя воды повышается порой до 90 градусов по Цельсию (бывают даже случаи закипания). 

Солнечный пруд способен обеспечивать бесперебойное функционирование солнечной электростанции на случай исчезновения инсоляции. Пруд, имеющий глубину в два метра, позволит СЭС работать в прежнем режиме около недели. Если же глубина водоема больше, то можно говорить о сезонном цикле накопления энергии.

Существенным недостатком такого типа накопления солнечной энергии является необходимость использования крупных территорий. Солнечные пруды с экологической точки зрения очень безопасны, ведь соленые водоемы в дикой природе существуют не один век.

Солнечные установки, расположенные за поверхности Земли

На данный момент растет популярность «солнечных домов». Эти жилые объекты полностью обеспечивают свои энергетические потребности самостоятельно. Они во многих случаях не имеют даже подключения к общей сети, потому не обременены плановыми отключениями электроэнергии, повышением тарифов и прочими проблемами современных энергопоставок потребителю.

Наибольшее количество подобных проектов реализовано в Соединенных Штатах, странах Западной Европы и Японии. В нашей стране подобные технологии тоже внедряются, хоть и слишком медленно. То ли по причине финансовой затратности, то ли из-за слабого понимания принципа работы таких установок и очевидной выгоды.

Такой способ генерирования энергии может иметь в своей основе один из трех вариантов преобразования энергии:

— фотоэлектрический;

— фототермический;

— фотохимический.

Фототермический способ предполагает  нагревание теплоносителя к коллекторной установке, представляющей собой систему труб, поглощающих свет. Температура нагрева теплоносителя достаточно высока. Технология способна обеспечивать теплом жилье в качестве отопления.

Коллектор находится на поверхности кровли объекта для того, чтобы количество солнечных лучей, попадающих на его поверхность, было максимальным.

Существует также специальная система светоотражающих жалюзи. Она управляется при помощи компьютера и создает максимально приемлемый уровень освещенности коллектора для обеспечения оптимального температурного режима помещений. 

Определенное количество энергии накапливается посредством использования аккумуляторов (тепловых или механических). Этот процесс является краткосрочным – энергия сохраняется пару суток, не больше. Если же имеется необходимость долгосрочного хранения энергии, то понадобится химический аккумулятор.

Примечательно, что один квадратный метр коллекторной установки в течение суток способен обеспечить порядка 70 литров воды, температура которой около 80 градусов по Цельсию. 

Труднодоступные регионы с холодным климатом уже давно используют данную технологию.

Если «солнечный дом» имеет кроме тепла от солнца еще и электроэнергию собственной генерации, то стоит рассмотреть следующую разновидность гелиоустановки.

Такой вид коллектора предполагает использование в качестве теплонакопителя фреона. Это может быть и другая жидкость. Главное – она должна иметь малую теплоту испарения.

Такого рода установка функционирует при ста градусах по Цельсию и не имеет нужды в концентраторах солнечного излучения. Когда же в качестве теплоносителя используется вода, то ее температура должна достигать 200-500 градусов по Цельсию. При этом в обязательном порядке должны использоваться концентраторы в виде зеркальных поверхностей, направляющих солнечные лучи на поверхность коллектора. 

Фотоэлектрические преобразователи стали применяться гораздо чаще в последнее время. Чаще всего они создаются из кристаллических по своей структуре соединений кремния и арсенида галлия.

Преобразование энергии солнца при помощи ФЭП

Основу данного метода генерации электроэнергии составляет поток солнечной энергии, именуемый среди научной общественности световым потоком (потоком фотонов). Как и поток воздуха, поток солнечных частиц имеет определенную энергию.

Стоит заметить, что до попадания в атмосферу показатели плотности солнечного потока варьируются в пределах 1360 ватт на метр квадратный. По прохождении слоев атмосферы интенсивность инсоляции становится значительно меньше, а на земной поверхности показатели приближены к тысяче ватт на квадратный метр. 

Для преобразования энергии солнца в электричество важную роль играет  псевдоквадрат из кремния, края которого имеют скошенную форму. Диаметр этого приспособления составляет 125 мм. Данное устройство называется фотоэлектрическим преобразователем (ФЭП). 

Каким же образом происходит преобразование энергии? Решить данный вопрос удалось физикам, которые смогли открыть явление фотоэффекта. Этот процесс представляет собой вырывание заряженных частиц из структуры атома благодаря влиянию светового излучения.

В начале 20 века физиком Планком было доказано, что световое излучение имеет свойство выделяться и поглощаться определенными порциями. Эти «порции» были названы квантами (или фотонами). 

Эта гипотеза выступила обоснованием научной работы, которая была проведена Генрихом Герцем тринадцатью годами ранее. 

Позднее были выведены 3 закона этого явления:

В условиях константного спектрального состава между силой тока насыщения и попадающего на катод потоком света существует прямо пропорциональная зависимость. 

Рост кинетической энергии заряженных частиц, которые были вырваны световым излучением, возрастает и не имеет зависимости от интенсивности светового потока.

Фотоэффекта не будет, когда частота светового потока ниже установленной красной границы. 

Теория фотоэффекта является основой для объяснения процессов, происходящих в ФЭПе. 

Фотоэлектрический преобразователь выступает в роли центрального компонента солнечной панели. Следует отметить, что ФЭП является полупроводниковым элементом. В фотоэлектрическом преобразователе происходит уникальный процесс – вентильный фотоэффект. В его основе лежит появление электрической движущей силы в пределах p-n перехода. Этот процесс осуществляется под влиянием солнечного излучения.

Вентильным фотоэффектом, происходящим в пределах запирающего слоя, называют процесс, когда заряженные частицы оставляют одно тело и проходят в полупроводниковый элемент сквозь разделительную поверхность.

Полупроводниками называют соединения, удельная проводимость которых находится между показателями проводников и диэлектриков. Главное отличие полупроводников от проводников состоит в сильной зависимости проводимости от количества примесей, температурных показателей и разных типов лучей.

К числу полупроводников относятся материалы, имеющие ширину запрещенной зоны в районе пары эВ. 

Полупроводники: селен, германий, мышьяк, кремний, большое число сплавов.

Наиболее популярным представителем полупроводников на данный момент выступает кремний. Этот элемент составляет порядка 30 процентов в земной коре.

Кремний стал наиболее востребован именно в солнечной энергетике по ряду причин:

— доступен, имеется в большом количестве в природной среде;

— имеет малый вес;

— ширина запрещенной зоны 1,12 электрон-Вольт. 

Современный рынок солнечных систем коммерческого типа для установки на земле представлен на 90 процентов кристаллическими панелями из кремния и на 10 процентов – тонкопленочными.

Центральной фигурой в конфигурации ФЭП выступает p-n переход. Если говорить простым языком, то фотоэлектрический преобразователь – это своеобразный «бутерброд», где слои кремния поддаются процессу легирования.

Стоит отметить, что p-n переход отличается своей особой возможностью выступать в роли энерго барьера для частиц, переносящих электрический ток. Иными словами, переход пропускает носителей заряда лишь в одну сторону.

Этот эффект и является основополагающим в производстве электроэнергии солнечными панелями.

Солнечные лучи оказываются на поверхности панели и запускают процесс генерации заряженных частиц в теле полупроводника. Носители тока появляются с минусом (электрон) и с плюсом (дырка). Задачей p-n перехода является разделение заряженных частиц по «своим» половинам. Хаотическое движение носителей тока превращается в упорядоченное разделение по разным сторонам определенного типа частиц. Далее эти разделенные частицы пускаются во внешнюю цепь. Именно там и создается напряжение. В замкнутой цепи при этом появляется электричество.

Если говорить о материалах, применяемых для создания фотоэлектрических преобразователей, то кристаллы кремния и соединения арсенида галлия являются наилучшими вариантами. Их устойчивость к теплу и коэффициент полезного действия имеют повышенные показатели (выше на 20 процентов, чем у других материалов).

Когда мы говорим о «солнечных домах», то рассматривать только объемы генерации электроэнергии неразумно. Помимо количества произведенной от солнца энергии, немаловажную роль играет энергоэффективность здания. Ведь грамотное распределение получаемой энергии и экономное отношение к ней позволяет сократить ненужные траты и снизить потребность в электричестве и тепле.

Кроме солнечных панелей на крыше или на территории домохозяйства, здание должно иметь высокий уровень теплоизоляции, оснащение мощными вентиляционными системами и т.д. Это позволит не нести большие энергетические потери.

Солнечные панели – будущее!

Солнечные панели занимаются преобразование потока солнечной энергии в электричество, которое может быть использовано для удовлетворения текущих энергетических нужд объекта или запасаться при помощи аккумуляторов.

Существуют каркасные и бескаркасные панели. Первый вид представлен в виде поверхности, обрамленной профилем. Как правило, профиль изготавливается из алюминия.

Сама поверхность панели представлена в виде стеклянной плиты. По сути своей она является фотоэлектрическим генератором. Поверхность солнечной панели включает заламинированные составляющие. Корпус панели с внутренней стороны имеет диодный блок. 

Крышка диодного блока скрывает электрические контакты. Именно они и используются с целью подключения панели.

Солнечные панели, не имеющие каркаса, представлены в виде ламинированной поверхности на алюминиевой основе. Кроме того, они могут располагаться на стеклотекстолите. Еще одним вариантов является модуль, не имеющий подложки.

В состав модуля также входит пленкообразный материал этил-винил-ацетат. Он находится между солнечными элементами. 

С лицевой стороны модуль покрыт пленкой, не имеющей цвета. С тыльной стороны размещена подложка или пленкообразный материал без отдельных оптических условий.

Следует отметить, что функционирование солнечного модуля сохраняется при температурном режиме от минус 50 до плюс 75 градусов по Цельсию.

Атмосферное давление порядка 84-106 килопаскалей не способно помешать работе панели. Влажность, при которой фотоэлектрический модуль может работать составляет до 100 процентов.

Если говорить о погодных условиях, то дождь, интенсивностью 5 миллиметров в минуту не станет помехой для полноценной работы модуля. 

Солнечная энергетика набирает популярность по всему миру благодаря наличию ряда преимуществ.

Во-первых, генерация электроэнергии посредством использования солнечных панелей является достаточно простым и надежным способом. Фотоэлектрический модуль не требует какого-либо топлива. Он может полноценно функционировать, имея внутренний ресурс.

Во-вторых, солнечные панели не требуют замысловатого и сложного обслуживания. Владельцы частных СЭС отмечают неприхотливость модулей.

В-третьих, неоспоримым преимуществом фотоэлектрических модулей является то, что промежуточные фазы процесса преобразования энергетического потока отсутствуют. Если владелец домовладения или коммерческого объекта решился на приобретение солнечных установок, то его проблемы с энергообеспечением решены надолго.

Срок службы солнечных модулей исчисляется десятками лет. В большинстве случает их можно использовать порядка 20-25 лет с достаточной эффективностью.

Не стоит вырывать из контекста и тот факт, что фотоэлектрические модули не наносят ровным счетом никакого вреда окружающей среде, ведь не имеют выбросов и отходов деятельности в процессе генерации энергии.

Кроме того, стоит обратить внимание на то, что использование ВИЭ дает возможность не только экономить средства, но и приумножать свой доход за счет продажи электроэнергии по «зеленому» тарифу в сеть.

В вопросах определения преимуществ солнечной энергетики не следует упускать из виду один из главных плюсов – неиссякаемость ресурса. Солнечная энергия является бесплатной, ее залежей не существует, Солнце светит миллиарды лет и будет светить.

Накопление энергии

Генерация электричества очень тесно взаимосвязана с аккумулированием. Ведь выработку энергии нельзя просчитать точно, потому возникает необходимость остатки сохранять на определенное время с целью использования их во время дефицита солнечного излучения (ночью или в плохую погоду).

Следует заметить, что децентрализованное использование для альтернативных источников энергии является наилучшим вариантом. Причина тому – низкие показатели интенсивности и наличие рассеянности.

Процесс накопления энергии от ВИЭ кардинально отличается от процесса аккумулирования энергии от атомных и тепловых станций.

ВИЭ, как правило, рассредотачиваются по территории, потому передача электроэнергии на большие расстояния теряет смысл.

Основной проблемой использования экологичных источников энергии является выравнивание спроса по времени. Так как природные условия и интенсивность излучения от нас не зависят, то и предугадать объемы генерации в те или иные часы невозможно. Именно аккумулирование энергии способно решить эту проблему.

Отсутствие контроля объемов вырабатываемой от солнца энергии нивелируется при наличии мощных накопителей, способных сохранять излишки энергии на некоторое время, а при необходимости предоставлять ее для удовлетворения энергетических нужд.

Рассмотрим варианты накопления электроэнергии:

• тепловой;
• химический;
• электрический.

Накопление энергии сопровождает не только альтернативную энергетику, но и традиционную. Только если аккумулирование энергии ТЭС выражается в виде запасов угля, то накопление энергии ВИЭ выглядит абсолютно иначе.

Тепловой способ накопления энергии

Тепло с низкими температурными показателями выступает в роли одного из наиболее востребованных источников в современном мировом энергопотреблении. Все дело в том, что при обогреве помещений использование тепла с высокими температурными показателями в целом не обязательно. Высокотемпературный источник может пригодиться в промышленных целях.

С целью теплообеспечения жилых помещений достаточно будет приемника тепловой энергии от солнечных лучей и накопителя тепла. 

 В климатических условиях, которые предполагают преобладание низкого температурного режима, наиболее актуально аккумулировать тепловую энергию. Кроме накапливания тепла от солнечного излучения, популярна также аккумуляция остаточного тепла при функционировании оборудования.

Создать запас тепловой энергии на 90 дней – абсолютно посильная цель. Главное – создание продуманного проекта жилья. Первоочередной задачей является качественная теплоизоляция. Помимо этого, следует продумать, как предотвратить появление плесени и сделать невозможным отсыревание. 

Кроме того, важно установить вентиляционную систему, которая будет управляться с компьютера. Рециркуляция тепла в данном случае станет прекрасным решением.

Внутренним источником тепловой энергии может стать остаточное тепло от приготовления еды, света и т.д. Следует только продумать, как это тепло можно сохранить.

В мире существует масса примеров подобных жилых объектов, которые сочетают в себе энергоэффективность и современный дизайн. При этом никаких неудобств для обитателей такого дома не существует.

Следует заметить, что накопительная способность скальных пород в данном варианте лучше, чем у воды. 

Сам по себе жилой объект на протяжении 4-х суток способен выступать в качестве накопителя тепловой энергии. 

Сохранение тепла наиболее востребовано в регионах, где преобладает холод. В жарких странах наиболее востребована технология аккумулирования холода. Эти две технологии очень схожи.

Когда речь идет о накоплении тепловой энергии, то следует упомянуть о существовании технологии, основанной на смене фазового состояния некоторых соединений при определенном температурном режиме.

Яркий пример тому – глауберова соль. При температуре 32 градуса по Цельсию это соединение распадается. Реакция распада является обратимой. В результате запуска обратного процесса выделяется 650 МДж тепла на 1 метр квадратный. 

Цена накопителей энергии формируется в зависимости от сложности и материала конструкции. Накопители тепла с водой внутри имеют значительно меньшие показатели удельной плотности. А аккумулятор, использующий процесс распада глауберовой соли может стать альтернативным решением.

Химический способ накопления энергии

Химические элементы образуют ряд связей, способных удерживать энергию. Выделение энергии происходит посредством экзотермической реакции. Широко известной реакцией является горение. В отдельных случаях реакция требует запуска внешними факторами. Это может быть повышение температуры или применение катализаторов.

Применение в аккумуляторах биологических соединений имеет особые условия, мы его рассматривать не будем. Остановимся на применении традиционных химических составляющих, которые используются в популярных видах накопителей энергии.

1. Использование водорода. 

Процесс электролиза в результате дает соединения водорода. Для запуска процесса необходим источник тока. Водород в газообразном состоянии помещается в специальные резервуары и поставляется на объекты, нуждающиеся в источнике энергии. Для удовлетворения потребности в энергии водород сжигается. 

Продуктом распада выступает вода, то есть никаких вредных веществ не выделяется в процессе использования. Чуть меньше 20 грамм воды выделяется в процессе получения 242 Дж тепла.

Хранение водорода в крупных объемах вызывает ряд неудобств и дополнительных затрат. Самый перспективный и наименее затратный способ – применение каверн, расположенных под землей. Такие природные цистерны напоминают те, которые образуются в процессе добычи природного газа.

Альтернативным решением является применение для транспортировки водорода трубопроводов. Для этой цели подойдут и те, которые на данный момент поставляют природный газ.

С целью получения электроэнергии водород тоже может успешно использоваться без вреда для окружающей среды. Топливные элементы могут без проблем работать на водороде.

2. Использование аммиака.

Аммиак разлагается при определенном температурном режиме на Н2 и NH3. Если применить эту реакцию в тепловом двигателе, то появляется возможность получать электричество беспрерывно. Для этого лишь необходима тепловая энергия солнечных лучей.

Электрический способ накопления энергии

Электроэнергия является максимально совершенной формой энергии. Ее накопление – первоочередная задача современной науки. Ученые по всему миру проводят годы в поисках оптимального способа аккумулирования. Важную роль в этом поиске играет удешевление технологии.

Общеизвестный факт, что накапливать и выдавать по необходимости электроэнергию способна аккумуляторная батарея.

Батареи разного объема и конфигурации входят в состав солнечных и ветровых электростанций.

Данный материал разрешено использовать в образовательных целях.

Рынок ВИЭ в Украине и особенности дальнейшего развития области.

Удачное географическое расположение дает нашей стране большие шансы на реализацию проектов солнечной энергетики. 

Климат Украины предполагает наличие достаточного для продуктивной работы СЭС количества солнечных дней. Следует отметить, что уровень инсоляции в нашей стране выше, чем на территории Германии, которая на данный момент является лидером мирового масштаба относительно доли солнечной энергетики. Основные перспективы в области коммерции СЭС обусловлены именно этим базовым фактором. 

На сегодняшний день на уровне правительства оказывается всесторонняя поддержка новых проектов солнечной энергетики с целью ее популяризации и продвижения. Только вот государственная поддержка пока действует только на уровне принятия законов. Практическое применение законопроектов еще не привело к желаемому эффекту, чего следует ожидать в будущем. 

Последние пять лет показали, что солнечная энергетика, занимающая вначале мелкий сегмент в виде пары пробных проектов, теперь превратилась в стремительно развивающееся направление, набирающее обороты в геометрической прогрессии.

Авторитетное агентство IB Centre Inc. Из Соединенных Штатов по итогам анализа энергетического рынка нашей страны заявило, что показатели капитализации за 2016 год составили 1,4 миллиарда долларов.

Инвестиционные проекты пострадали от событий, начавшихся в 2014 году, но в данный момент ситуация стабилизируется.

Представители Госэнергоэффективности по итогам 2016 года представили отчет, в котором обозначена положительная динамика касательно проектов ВИЭ. Особое место в росте доли альтернативной энергетики в Украине отведено фотовольтаике. 

После принятия в 2015 году Закона, коснувшегося внесения изменений в действующее законодательство с целью создания условий конкуренции в области ВИЭ,  можно говорить о том, что достаточно четкое законное стимулирование у инвестиционной привлекательности нашей страны появилось. Этим Законом Верховная Рада привязала «зеленый» тариф к курсу евро.

Статистические данные Госэнергоэффективности гласят, что в октябре прошлого года на территории Украины насчитывалось 359 полноценно функционирующих объектов альтернативной энергетики. Их суммарная мощность составляет порядка 1320 мегаватт.

Следует отметить, что инвестиционная активность относительно украинских объектов возрастает с каждым кварталом. Только пока доля возобновляемой энергетики в общем объеме производимой в Украине энергии ничтожно мала.

Почти за весь прошлый год альтернативная энергетика нарастила мощность лишь на 1 % от общего энергетического объема.

Но этот факт не является приговором для ВИЭ. Важно, что наша страна вошла в состав энергетического сообщества Европы. Тем самым, Украина приняла на международном уровне ряд обязательств. Главным из них является повышение процента альтернативной энергетики в энергобалансе государства. Доля ВИЭ должна достигнуть 11 процентов до 2020 года. Таким образом, можно сделать вывод о том, что в ближайшие два года нам предстоит наблюдать над строительством все новых СЭС и ВЭС в авральном режиме. 

Уже на данном этапе доля ископаемого топлива начинает снижаться. Этот процесс происходит достаточно медленно, но сдвиги очевидны. 

Специалисты отмечают, что за время тотального использования ископаемого топлива по всему миру запасы существенно истощились. 

В Украине существует специальная программа энергетической эффективности и энергосбережения. На основе исследований были получены данные, согласно которым на 2017 год имеются:

• урановые залежи в объеме, которого хватит в масштабах страны на 30 лет;
• уголь — на 170 лет; 
• запас нефти рассчитан на 43 года;
• природного газа хватит на 55 лет.

Такие показатели приводят в замешательство не только Украину, но и весь мир.

Теперь мировая общественность стремится к поиску альтернативы и находит ее в лице возобновляемой энергетики.

Эксперты в области альтернативной энергетики заявляют, что в ближайшие 5-10 лет профессия «солар-инсталлятор» станет максимально востребованной по всему миру, в том числе и в Украине.

Стремительно развитие данной области по всему миру требует наличие большого количества кадров. Следует заметить, что в Украине спрос на солар-инсталляторов с каждым годом будет только расти. Причина тому – высокий «зеленый» тариф. 

В странах Европы «зеленый» тариф активно снижается, потому срок окупаемости объектов повышается. В Украине же тариф не станет меньше еще как минимум 5 лет. Потому наша страна и является наиболее инвестиционно привлекательной.

Многие специалисты отмечают, что солар-инсталлятор – это профессия будущего. 

Интересно то, что в данный момент на территории нашей страны очень мало заведений, которые бы обучали этой востребованной специальности. К тому же, учебные заведения (как и в других профессиях) дают максимум теоретических знаний и минимум – практических. Для успешной реализации в сфере альтернативной энергетики молодой специалист должен иметь как можно больше практических навыков и конкретных знаний, привязанных к процессу.

Немаловажным является и стоимость обучения. Пока эта сфера знаний предполагает выпуск небольшого числа специалистов. Чем больше рынок труда будет требовать квалифицированных кадров в области солнечной энергетики, те цена на обучение будет расти, причем в разы.

Следует отметить, что в странах Европы на данный момент можно получить наиболее качественное образование в этой области. Причем, как теоретическое, так и практическое. Многие специалисты, обучившиеся заграницей, передают свой опыт посредством обучающих курсов уже на территории Украины.

Эксперты утверждают, что те, кто принял решение освоить профессию солар-инсталлятора сегодня – выиграют в ближайшем будущем.

Рост потребности страны в специалистах солнечной энергетики можно четко проследить на примере Германии. 

В последний десяток лет количество специалистов в сфере солнечной энергетики по стране достигло 300 тысяч. И такие показатели не являются предельными, ведь этот рост продолжается. 

Совместная исследовательская работа Greenpeace и Европейского союза фотовольтаики показала, что до 2020 года потребность в солар-инсталляторах по всему миру возрастет на 34 %.

На территории Германии на данном этапе насчитывается порядка 83 000 специалистов солнечной энергетики. Федеральный союз учреждений гелиопромышленности провел исследование, согласно которому, к 2020 году общее количество солар-инсталляторов по стране увеличится ровно в 2 раза.

Учебный курс компании «Энергия природы – Зеленый тариф» направлен на овладение практическими навыками  с теоретическим сопровождением. Программа курса предполагает 7 часов теоретической подготовки и 9 часов практических занятий. Такой подход позволяет после окончания курса получить полноценный набор знаний и навыков специалиста в области солнечной энергетики, способного приступить к выполнению своих прямых обязанностей незамедлительно. Дополнительной подготовки после прохождения курса не требуется. 

После прохождения Обучающей программы специалист овладеет следующими умениями:

• определение отличий в видах энергии;
• определение параметров энергии;
• создавать характеристику систем альтернативной энергетики;
• обозначать процессы, происходящие во время генерации электроэнергии;
• технически правильно располагать оборудование, которое используется для генерации электричества посредством использования энергии солнца;
• проводить планирование необходимого фронта работ относительно оснащения, монтажа и установки специального оборудования;
• осуществлять грамотный и профессиональный подбор оборудования для солнечной электростанции;
• производить контроль проведения работ относительно монтажа;
• использовать техническую документацию и инструкции по эксплуатационным характеристикам оборудования;
• осуществлять подбор установок и устройств для солнечной электростанции;
• выполнять монтажные работы;
• давать экспертную оценку относительно качества монтажных работ и возможного устранения дефектов;
• производить контроль функционирования устройств и оборудования солнечной электростанции;
• производить технический осмотр с целью предоставления услуг по обслуживанию и ремонту оборудования и систем в целом;
• использовать в процессе монтажных работ специальные инструменты;
• производить расчеты стоимости материала и монтажа;
• использовать различные современные приспособления и компьютерную технику с целью осуществления профессиональных работ;
• взаимодействовать в процессе работы, как с компаниями Украины, так и с зарубежными партнерами;
• придерживаться установленных санитарных норм и техники безопасности при осуществлении монтажных работ;
• производить организацию рабочего места максимально эргономично;
• реализовать свои знания в качестве частного предпринимателя.

Особенности профессии солар-инсталлятор

Освоение данной специальности дает возможность реализоваться с профессиональной точки зрения в следующих организациях:

• фирмы, основная деятельность которых заключается в создании и осуществлении поддержки эффективности сетей, предприятий и объектов;
• компании, которые занимаются монтажом или производят фотоэлектрические панели;
• непосредственно на солнечных электростанциях;
• фирмы, занимающиеся проектированием и монтажными работами по заказу;
• иностранные компании, осуществляющие свою деятельность в области солнечной энергетики, как на территории Украины, так ив других странах.

Перспективы рынка солнечной энергетики в нашей стране

В поточном году согласно анонсам будет завершено строительство некоторых крупных СЭС в Украине. 

Важно заметить, что монтаж этих объектов финансируется компаниями из Канады, Литвы, Индии, Словении и Китая.

Следует также отметить, что Ощадбанк направит более 27 миллионов евро на реализацию проектов по возведению СЭС, общая мощность которых составит порядка 35 мегаватт. Располагаются эти объекты на территории Днепропетровской области.

Станция, мощностью 1 мегаватт будет запущена в Чернобыле. За реализацию проекта взялись компании Enerparc AG и Rodina Energy Group Ltd. 

Кроме того, проходит активная работа над проектом, который получил название Chornobyl Solar. Данная инициатива предполагает застройку зоны отчуждения солнечными станциями. За тендер идет борьба среди компаний из разных стран.

Эксперты в области альтернативной энергетики уверены, что Украина не может свернуть с пути, который избрала, взяв на себя ряд обязательств перед мировой общественностью.

«Энергетическая стратегия Украины до 2035 года» регламентирует увеличение доли ВИЭ на 20 процентов. До 2020 года показатели должны увеличиться до 11 процентов в общем энергетическом балансе страны.

Соответственно, действующий «зеленый» тариф будет сохранен. 

В вопросах инвестиционной привлекательности, солнечная энергетика занимает лидирующие позиции. Одни неоспоримым преимуществом среди прочих является мобильность объектов. То есть, солнечная станция может быть без особых затруднений демонтирована и перевезена на другое место. Демонтаж и монтаж на новом месте займет не так много времени и с финансовой точки зрения не является колоссальной потерей. 

Ожидается, что на протяжении текущего и следующего года в работу будут включены новые солнечные станции, причем в довольно немалом количестве. Дело в том, что станции, которые заработают после 2019 года, будут иметь «зеленый» тариф на 10 процентов ниже, чем те, которые успеют подключиться до этого момента. 

По прогнозам экспертов в текущем году должно быть установлено и подключено в сети порядка 400 мегаватт мощности от СЭС. Эти показатели расширят рынок солнечной энергетики Украины на 57 процентов.

Рынок солнечной энергетики нашей страны на данном этапе отличает ряд непрерывных изменений. 

Специалисты в области альтернативной энергетики прогнозируют наряду с строительством новых солнечных станций появление и непопулярных ранее ниш на энергетическом рынке. Примером подобной ниши может стать сервисное обслуживание солнечных станций. Как область для предпринимательской деятельности, к тому же неосвоенной, сервис сулит небывалый подъем новым организациям, предоставляющим услуги квалифицированных работников.

Следует заметить, что вероятность перехода к прямым договорам в Украине достаточно велика. Такая практика взаимодействия предполагает, что потребитель будет заключать соглашение на поставку электроэнергии непосредственно с производителем. К тому же, потребители получат возможность выбирать производителя по многим критериям, в том числе и стоимости электричества.

Все предпосылки ведут к тому, что Украина имеет реальный шанс выйти на новый экономический уровень путем реформирования энергетического рынка. Законодательная база в вопросах солнечной энергетики на данном этапе несовершенна, но работы в этом направлении ведутся более чем активно.

Данный материал разрешено использовать в образовательных целях.

В погоне за максимальным КПД, а также максимальным показателем мощности на доллар стоимости, производители солнечных панелей со всего мира постоянно совершенствуют свою продукцию и ищут пути еще более эффективного преобразования солнечного света в электроэнергию. Таким образом сейчас существует семь основных видов солнечных панелей, которые являются наиболее популярными и широко используются:

• монокристаллические;
• мультикристаллические;
• поликристаллические;
• тонкопленочные;
• из аморфного кремния
• на основе телуида кадмия;
• на основе CIGS.

Монокристаллические солнечные панели

Именно монокристаллические солнечные батареи являются наиболее популярными и широко используемыми в мире. Их производственный процесс начинается с отливки цилиндра диаметром 13-20 см и длиной до 200 см из кремния высокой чистоты. После его застывания, цилиндр нарезается на листы толщиной 250-300 мкм. Результатом такого метода является сплошная кристаллическая решетка, которая улучшает подвижность электронов и позволяет достичь показателя КПД в 23,5%, что больше чем у аналогов.

У солнечной батареи лист кремния пронизан электродами и закрыт противоударным стеклом. Монокристаллические панели можно определить по темно-синему или черному цвету фотоэлементов.

Особенности монокристаллических панелей:

• Высокий показатель КПД (14-23,5% у готовой батареи в зависимости от производителя и качества, рекордные показатели 43,6%);
• Долговечность (до 50 лет);
• Высокая цена (один из самых низких показателей Ватт / долл.).

Недостатком монокристаллических панелей является также форма фотоэлементов в виде многоугольников, которыми очень трудно эффективно заполнить площадь, что снижает уровень мощности на квадратный метр.

Мультикристаллические солнечные панели

Более дешевыми и простыми в производстве является мультикристаллические солнечные панели. Роль фотоэлементов в них играют случайно собранные листы кристаллов с различными кристаллическими решетками. Это приводит к падению КПД до 15%, но значительно снижает стоимость производства панелей и повышает показатель мощности на затраченный доллар.

Особенности мультикристаллических панелей:

• Относительно низкая стоимость производства;
• Высокий показатель мощности на доллар;
• Уменьшенное КПД (макс. 15%);
• Срок службы 25 лет.

Поликристаллические солнечные панели

Более эффективным аналогом монокристаллических панелей является поликристаллические. В них используются агрегатные кристаллы с кристаллическими решетками различной формы и ориентации. Использование этой технологии позволяет достичь показателей очень близких к монокристаллическим панелям. Определить поликристаллическую солнечную батарею можно по ярко-синим фотоэлементам.

Особенности поликристаллических панелей:

• Высокие показатели КПД (до 18%);
• Высокие показатели мощности на доллар;
• Низкая эффективность в тени и чувствительность к углу падения солнечных лучей;
• Относительно короткий срок эксплуатации (10 лет).

Тонкопленочные солнечные панели

КПД тонкопленочных солнечных батарей гораздо меньше чем у аналогов. Подобные панели второго поколения имеют этот показатель на уровне 8-12% в зависимости от производителя. Но тонкопленочные солнечные батареи имеют некоторые неоспоримые преимущества. Во-первых, они изготавливаются из сверхтонких листов кремния толщиной всего в несколько микрон на очень тонкой стеклянной или металлической основе. Их производство гораздо менее затратно, чем у монокристаллических панелей, что делает их одними из лучших по показателю мощности на доллар.

Во-вторых, тонкопленочные солнечные батареи гораздо лучше аналогов производят энергию из отраженного света, в тени, при облачной погоде и в вечернее время, когда солнечные лучи падают под невыгодным углом. Именно это сделало тонкопленочные солнечные панели одним из самых популярных решений для регионов с малым количеством солнечных дней.

Особенности тонкопленочных панелей:

• Низкая цена;
• Один из самых высоких показателей мощности на доллар;
• Работают в тени, с отраженным светом и при невыгодных углах падения солнечных лучей;
• Низкое КПД, требует установки большего количества панелей.

Солнечные панели из аморфного кремния

Аморфный кремний из-за особенностей строения не позволяет достичь высокого уровня КПД. Такие солнечные панели имеют этот показатель на уровне 6-8%, но они отличаются очень низкой стоимостью и одним из самых высоких показателей мощности на доллар стоимости. Также их называют тонкопленочными солнечными панелями первого поколения.

Особенности панелей из аморфного кремния:

• Производят самую дешевую электроэнергию, высокий показатель мощности на доллар стоимости;
• Низкое КПД 6-8%.
• Работают в тени, с отраженным светом и при невыгодных углах падения солнечных лучей.

Солнечные панели на основе теллурида кадмия

Производственный процесс CdTe солнечных батарей похож на пленочные. Полупроводник имеет толщину в несколько сотен микрометров и также наносится на твердую основу. Такие панели являются относительно дешевыми, особенно по сравнению с монокристаллическими. Их недостатком является относительно низкое КПД на уровне 11%.

Особенности солнечных панелей на основе теллурида кадмия:

• Низкая стоимость;
• КПД на уровне 11%;
• Работают в тени, с отраженным светом и при невыгодных углах падения солнечных лучей.

Солнечные панели на основе CIGS

Использование полупроводников на основе меди, индия, галлия и селена позволило поднять КПД до 15%. Эти панели также выполнены по пленочные технологии, что существенно уменьшает их стоимость и дает преимущества при работе в тени или при облачной погоде.

Особенности панелей на основе CIGS:

• Работают в тени, с отраженным светом и при невыгодных углах падения солнечных лучей;
• Более КПД до 15%.

Выводы

Солнечные панели указанных выше типов покрывают различные потребности. Например, монокристаллические лучше всего подойдут в ситуациях, когда необходимо достичь максимальной мощности при минимальной массе и площади солнечной батареи. А именно в космической отрасли, хотя также они продолжают использоваться и в наземных СЭС.

Наиболее оптимальными именно для солнечной фермы будут поликристаллические солнечные батареи из-за их цены. Но важно будет правильно их установить под нужным углом к ​​горизонту, и без объектов вокруг, которые могут затенить фотоэлементы.

Для других ситуаций, рекомендуются тонкопленочные солнечные панели, не требующие идеальных условий для работы с максимальной эффективностью.