Навігація
Головна
ПОСЛУГИ
Авторизація/Реєстрація
Реклама на сайті
 
Головна arrow Екологія arrow Основи екології
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

Сонячна енергетика

Сонце - невичерпне джерело енергії, потенціал якого людству ще належить гідно оцінити. Сонячна енергія - це кінетична енергія випромінювання (в основному світла), яка утворюється в результаті термоядерних реакцій у надрах Сонця. Сонячна енергія є однією з тих альтернатив, ігнорування яких у недалекому майбутньому зумовить настання катастрофічних наслідків для людства. Сонячна енергетика - прогресивний метод отримання різного виду енергії, використовуючи сонячне випромінювання.

Ще у 1870 р. в Чилі було побудовано сонячний опріснювач морської води, який виробляв до 30 т прісної води на добу і працював понад 40 років. А після нафтового шоку у першій половині 70-х років XX ст. альтернативна енергетика стала більше популярною і активно розвивалася. Тодішній президент США Д. Картер навіть наказав побудувати сонячні батареї на даху Білого дому. Але з падінням цін на нафту також зник й інтерес до альтернативної енергетики. Наступник Д. Картера - Р. Рейган - вважав, що вести країну до економічного добробуту потрібно іншими шляхами, і сонячні панелі з Білого дому прибрали. Очевидно, вони знову туди повернуться.

Світлове випромінювання можна уловлювати та використовувати безпосередньо тоді, коли воно досягає Землі, - це пряле використання сонячної енергії. Метод прямого перетворення сонячного випромінювання в електрику є, по-перше, найбільш зручним для споживача, оскільки отримується найбільш вживаний вид енергії, і, по-друге, такий метод вважається екологічно чистим на відміну від інших, які використовують органічне паливо, ядерну сировину чи гідроресурси.

Крім того, сонячна енергія забезпечує кругообіг води, циркуляцію повітря та накопичення органічної речовини в біосфері. Звернення до цих енергоресурсів є непрямим (опосередкованим) використанням сонячної енергії.

Сонце - найпотужніше джерело екологічно чистої енергії. На кожний 1 м2 поверхні земної атмосфери падає 1300 Вт сонячної енергії. Інтенсивність сонячного випромінювання, яке досягає Землі, залежить від кількох факторів, передусім від географічної широти місцевості. Найбільша вона на екваторі (до 2300 кВт/м2 на рік), а на широті України становить близько 1000 кВт/м2 на рік. Оцінювання геліоенергетичних ресурсів проводиться за багаторічними спостереженнями характеристик сонячної радіації. Важливими показниками є тривалість сонячного сяйва та хмарність, оскільки переривчастість у надходженні сонячної радіації (за рахунок якої втрачається значна частина енергії) негативно впливає на роботу геліоустановок. Оцінка потенціалу сонячної енергії охоплює дані про середній розподіл прямої, розсіяної та сумарної радіації; ці показники відображають загальні закономірності надходження сонячної енергії.

Нинішні способи отримання електрики і тепла із сонячного випромінювання:

  • o Отримання електроенергії за допомогою фотоелементів.
  • o Геліотермальна енергетика - нагрівання поверхні, що поглинає сонячні промені, подальший перерозподіл і використання тепла. Сонячне випромінювання фокусується на посудині з водою, а потім нагріта вода використовується для опалювання або у парових електрогенераторах.
  • o Термоповітряні електростанції - це перетворення сонячної енергії у енергію повітряного потоку, що спрямовується на турбогенератор.
  • o Сонячні аеростатні електростанції - це генерація водяної пари усередині балона аеростата за рахунок нагрівання сонячним випромінюванням поверхні аеростата, покритої селективно-поглинальним покриттям. Головна перевага полягає у тому, що запасу пари у балоні достатньо для роботи електростанції у темні години доби й у хмарну погоду.

Сонячна енергія широко використовується як для нагрівання води, так і для виробництва електроенергії. Сонячні колектори виготовляють з доступних матеріалів: сталі, міді, алюмінію тощо, тобто без застосування дефіцитного і дорогого кремнію. Це дає змогу значно скоротити вартість і устаткування, і отриманої на ньому енергії. Наприклад, у 2001 р. вартість електроенергії, отриманої в сонячних колекторах, становила 0,09-0,12 дол. США за кВт/год. Департамент енергетики США прогнозує, що вартість електроенергії, виробленої сонячними концентраторами, знизиться до 0,04-0,05 дол. США за кВт/год у 2015- 2020 рр. За офіційними даними, добре спроектований дім із сонячною опалювальною системою дозволяє економити до 75 % витрат на паливо майже у будь-яких кліматичних умовах. Та сама ситуація із гарячим водопостачанням (традиційно у домашньому господарстві на нагрівання води витрачається від третини до половини всієї споживаної енергії).

Для одержання електроенергії використовують декілька методів. Найперспективнішим вважається метод безпосереднього перетворення випромінювання на електричну енергію за допомогою сонячних батарей. Сонячна батарея - це електрична установка, що генерує постійний струм та складається з орієнтованих за сонцем сонячних модулів, які мають спільну несучу конструкцію (рис. 6.4).

Принцип роботи сонячної установки

Рис. 6.4. Принцип роботи сонячної установки

Отже, сонячна система енергопостачання складається з таких елементів:

  • - сонячної батареї (фотоелектричного сонячного модуля);
  • - контролера заряду;
  • - акумуляторів;
  • - інвертора.

Розглянемо детальніше, як працює сонячна система енергопостачання. Сонячний модуль - це сукупність поєднаних між собою сонячних елементів, тобто напівпровідникових пристроїв, які перетворюють світлову енергію сонця в електричну. До складу фотоелектричного сонячного модуля входять оброблені моно-кремнієві пластини, вкриті спеціальною сполукою, що витримує будь-які несприятливі погодні умови (град, високі та низькі температури, перепади температур тощо). Розміщуються модулі на дахах будинків, офісів, гаражів або будь-яких інших поверхнях. Можливе використання модулів замість покрівлі будинку або разом з нею.

Контролер заряду - пристрій, призначений для управління режимами заряджання та розряджання акумуляторних батарей. Контролер заряду відіграє важливу роль в експлуатації системи; регулює заряд акумуляторів (що сприяє збільшенню терміну експлуатації об'єкта).

Акумулятор слугує для зберігання заздалегідь накопиченої енергії; акумуляторні батареї розраховані на досить велику кількість циклів заряджання-розряджання. Сьогодні гарантійний термін роботи акумуляторних батарей, що використовуються у сонячній енергетиці, становить від 5 до 10-12 років. Спеціальні акумулятори закритого типу (гелеві), які не потребують обслуговування, мають термін експлуатації до 15 років, що значно спрощує процес обслуговування установки. Нарешті, інвертор - пристрій, що перетворює постійний струм напругою 12 В у змінний струм напругою 220 В. Саме інвертор дає змогу живити електроенергією різні види електронної апаратури, комп'ютери, факсимільні апарати, аудіоапаратуру та інші види електрообладнання, а також прилади освітлення.

Для того, щоб сьогодні людство змогло задовольнити свої потреби в енергоресурсах, щороку потрібно близько 10 млрд т у. п. (теплота згоряння у. п. - 7000 ккал/кг). Якщо енергію, що надходить на нашу планету із Сонця за рік, перевести в умовне паливо, то ця цифра дорівнюватиме близько 100 трлн т, а це у 10 000 разів більше, ніж потрібно людству.

Вважається, що на Землі є запаси 6 трлн т різних вуглеводнів. Якщо це так, то їх енергію Сонце віддає планеті всього за три тижні. А резерви Сонця настільки величезні, що світити так само яскраво воно зможе ще близько 5 млрд років. Земні зелені рослини і морські водорості акумулюють приблизно 34 % енергії, що надходить від Сонця. Залишок витрачається - на підтримку комфортного для життя мікроклімату в глибинах океану і на поверхні Землі. І якби людина змогла узяти для свого внутрішнього вжитку хоч би 1 % (тобто 1 трлн т у. п. на рік), то це б вирішило багато проблем на тривалий термін. На сьогодні є теоретичні розробки способів акумуляції потрібної енергії.

А. Ейнштейн був у 1921 р. нагороджений Нобелівською премією саме за пояснення законів зовнішнього фотоефекту. Отримати електричний струм за допомогою фотоефекту вперше удалося радянським фізикам у 30-ті роки XX ст. у Фізико-технічно-му інституті, яким керував академік А.Ф. Іоффе. Щоправда, ККД тодішніх сонячних сірчасто-талієвих елементів становив ледве 1 %, тобто в електрику перетворювався лише 1 % енергії, що падала на елемент. У 1954 р. американці Д. Пірсон, К. Фуллер і Д. Чапін запатентували перший елемент з прийнятним (близько 6 %) ККД. А з 1958 р. кремнієві сонячні батареї стали основними джерелами електрики на радянських і американських космічних апаратах.

До середини 70-х років XX ст. ККД сонячних елементів наблизився до 10 % і майже на два десятиліття залишався на цій межі. Для космічних кораблів цього цілком вистачало, а для наземного використання виробництво досить дорогих сонячних батарей порівняно зі спалюванням дешевої нафти виглядало нераціональним. Як наслідок, більшість розробок нових технологій у сфері сонячної енергетики були згорнуті, а фінансування тих, що залишилися, значно скоротилося. І лише з початку 1990-х років людство усвідомило необхідність їх поновлення.

Уже до середини 1990-х вдалося підвищити ККД сонячних елементів до 15 %, а на початку XXI ст. - до 20 %. Сьогодні популярність побутових сонячних батарей зростає у всьому світі, особливо в Азії та Західній Європі, де ними іноді цілком покривають дахи будинків, що істотно здешевлює електроенергію. Це призводить до стрімкого зростання попиту на кремній, з поставками якого останнім часом виникли проблеми.

На сьогодні рекордом ефективності сонячних батарей є 42,8 %. Такого вражаючого результату вдалося досягти завдяки комбінованій батареї на основі кристалічного кремнію на відкритій місцевості з природним сонячним світлом (не у лабораторії). V масових фотоелектричних панелях ККД становить приблизно 10-25 %. У межах програми "Сонячні батареї надзвичайно високої ефективності" науково-дослідного агентства Пентагона (БАКРА) створена нова панель сонячної батареї з ефективністю перетворення енергії Сонця у 50 %. Отже" незабаром сонячні батареї із ККД 50 % будуть серійно вироблятися.

За будовою сонячний елемент схожий на бутерброд, складений з двох напівпровідникових пластинок. Майбутнє сонячної енергетики експерти пов'язують з удосконаленням матеріалів для цих двох шарів. Найбільш перспективними представляються аморфний і мікрокристалічний кремній, який виведе створення сонячних елементів на принципово інший рівень. Технологія кремнієвих пластин застаріває, а з аморфного і мікрокристалічного кремнію можна вирощувати дуже тонкі плівки, товщина яких вимірюватиметься нанометрами. Дві такі плівки, накладені одна на іншу, на склі є фотогальванічним елементом, що має високу електричну провідність і зберігає свої властивості при тривалому використанні.

Проте технологія, яка б дозволила випускати такі сонячні елементи серійно, ще не створена. Як вважають у Дослідницькому центрі м. Юліха (Німеччина), їм залишився всього один крок, щоб вивести виробництво нових сонячних батарей із лабораторій у промисловість. Звичайні сонячні елементи з кремнію створюють окремо і вже потім об'єднують у батареї. У випадку з тонкими плівками все навпаки: спочатку вирощують плівку великого розміру, накладають її на скло разом з іншими необхідними шарами, ріжуть лазером на смужки і потім сполучають електричними контактами. Зараз сонячні елементи, що промислово випускаються, коштують приблизно 300 євро за 100 Вт електричної потужності. Тонкоплівкова технологія дасть змогу через 5- 10 років понизити вартість удвічі, а через 15 - утричі. Є й інші способи перетворення енергії Сонця на електричну. Використання сонячних батарей (тобто фотоелектричних перетворювачів) - лише один з них. Цей спосіб має дві переваги: мобільність та довговічністю. Сонячну батарею можна встановити на даху автомобіля і крилах літака, вбудувати у годинник, калькулятор, ноутбук і навіть у ліхтарик. У сонячному елементі немає рухомих частин, термін його використання становить приблизно 30 років. За цей час елемент, на виготовлення якого витрачено лише 1 кг сонячного кремнію, може дати стільки само електроенергії, скільки виробить ТЕС зі 100 т нафти або АЕС - з 1 кг збагаченого урану.

Сонячна установка потужністю 1 кВт сьогодні у США коштує приблизно 3 тис. дол., проте окупається вона лише на 14-15-му році роботи, а це, порівняно з тепловими електростанціями, дуже довго. Тому для перетворення сонячної енергії в електричну у промислових масштабах нині в основному використовують спосіб, запропонований, згідно з легендою, ще у III ст. до н. е. Архімедом. Щоправда, сонячне світло він застосовував зовсім не з метою отримання дешевої енергії, а для оборони Сіракуз, які атакували з моря галери римського полководця Марцелла.

Робота сучасних геліоелектростанцій базується саме на цьому принципі. Установлені на значній, до декількох тисяч квадратних метрів, території дзеркала-геліостати, що повертаються за рухом Сонця, спрямовують промені сонячного світла на місткість з теплоприймачем, яким зазвичай є вода. Далі все відбувається так само, як на звичайних ТЕС: вода нагрівається, закипає, перетворюється на пару, пара крутить турбіну, турбіна передає обертання на ротор генератора, а той виробляє електрику. У США сьогодні діють декілька гібридних сонячно-теплових електростанцій спільною потужністю більш ніж 600 МВт. Вдень вони працюють від енергії Сонця, а вночі, щоб вода зберігала температуру і продукувала електрику, - від газу. Температура пари в установках досягає 370 °С, а тиск -100 атм.

Перша промислова сонячна електростанція (CEC) була побудована у 1985 р. у Криму і мала пікову потужність 5 МВт - стільки само, скільки й перший ядерний реактор. За 10 років роботи вона виробила лише 2 млн кВт/год електроенергії, проте вартість такої електрики виявилася досить високою і у середині 1990-х її закрили. У цей час роботи активізувалися у США, де компанія Lose Industries у 1989 р. запустила у роботу сонячно-газову електростанцію на 80 МВт. За наступних 5 років та сама компанія лише у Каліфорнії побудувала таких CEC ще на 480 МВт і довела вартість одного "сонячно-газового" кВт/год до 7-8 центів, тоді як вироблена на АЕС електроенергія має собівартість 15 центів.

Використовувати енергію Сонця у побуті можна і без перетворення її на електрику. Для того, щоб нагріти холодну кімнату або воду у водопроводі, можна безпосередньо скористатися сонячним теплом. Установки, що збирають, зберігають і передають це тепло, називаються сонячними колекторами. Сонячний колектор - це засіб для збирання сонячної енергії, яка використовується для підігрівання води для побутових потреб. На даху будинку або на його південній стіні встановлюють панель, що складається з тоненьких трубочок, якими у спеціальний бак-акумулятор подають воду. Сонце нагріває трубки, які нагрівають воду, вода (температура якої може доходити до 60-90 °С) накопичується у баку і потім використовується для обігріву або забезпечення гарячою водою. Будинки, обладнані такими системами (зазвичай вони доукомплектовуються кремнієвими сонячними елементами), називаються "сонячними". З одного боку, він коштує дещо дорожче, ніж звичайний, але з іншого - він дає змогу різко скоротити комунальні платежі - на 50-70 %.

Для зберігання тепла, зокрема у зимовий період, вночі та хмарні дні, частина його відводиться у спеціальні резервуари, розміщені у підвальних приміщеннях і заповнені щебенем. Тепло, акумульоване щебенем, використовується тоді, коли в ньому виникає потреба. Влітку сонячна система такого будинку може застосовуватись і для охолодження приміщень, тобто кондиціювання повітря. Із цією метою колектори вдень вимикаються, а вночі працюють, охолоджуючи щебінь у резервуарах нічним прохолодним повітрям. Потім, протягом жаркого дня, охолоджений щебінь забирає тепло з приміщень.

Проте зустрічаються й складніші системи. Одна з них - Національна сонячна установка для теплових випробувань (NSTTF) - була споруджена у США (штат Нью-Мексико) ще у 1978 р. і працює до сих пір. Належить вона Пентагону і застосовується для перевірки жароміцності корпусів військових і цивільних ракет. Складається NSTTF з 60-метрової башти-мішені і 220 геліостатів, розміром 6x6 м кожен. Дзеркала, подібно до архімедівської установки, спрямовують свої сонячні промені в одне місце діаметром 1,5 м на верхівці установки, де температура у сонячні дві піднімається до 2000 °С. А це всього у 2,5 рази менше, ніж на поверхні Сонця, й удвічі вище за температуру горіння напалму.

Будівництво "сонячних будинків" на Заході поступово стає дедалі популярнішим, але покупців однак небагато - окупаються такі будинки лише через 7-10 років. Саме тому уряди розвинених країн, дбаючи про майбутнє, розробляють і фінансують спеціальні програми, що допомагають власникам таких будинків. Перший проект був запущений ще у 1990 р. у Німеччині, що є лідером у спорудженні "сонячних будинків", - "Тисяча сонячних дахів" (згодом був перейменований у "Дві тисячі сонячних дахів"). Подібний проект - "100 000 сонячних дахів" - був прийнятий для всіх країн - членів ЄС. У Японії розвиток сонячної енергетики забезпечується програмою "70 000 сонячних дахів", у США - "1 мільйон сонячних дахів", у Монголії - "100 000 сонячних юрт".

У всіх розвинених країнах власники будинків або офісів, які дообладнали житлові чи офісні приміщення сонячними колекторами і батареями, заносяться в особливі реєстри і мають певні привілеї: держава компенсує їм частину витрачених коштів; вони отримують особливі податкові пільги; для них відкривається доступ до спеціальних пільгових кредитів і безпроцентних позик, їх безкоштовно навчають користуватися домашньою енергосистемою, а для компаній, що займаються виробництвом, продажем і установкою такої техніки, проводять безкоштовні маркетингові дослідження. У результаті у США сонячна технологія вже використовується в 1,5 млн будинків. Усі разом вони економлять близько 1400 МВт, а це приблизно 5 млн т неспаленої за рік нафти. У Німеччині держава не лише компенсує до 70 % витрат на "соляризацію" будинків, а ще й купує у їх власників електрику за цінами, набагато вищими за ринкові, завдяки чому на рік близько 0,5 млн м2 дахів вкривають сонячними елементами.

Сонячні елементи і колектори належать до "активних" сонячних систем. Є й інший спосіб використання енергії Сонця - створення так званих пасивних сонячних систем, тобто проектування будівель і підбір будівельних матеріалів таким чином, щоб максимально використовувати сонячне випромінювання. Проект пасивних сонячних будівель розробляють з максимальним урахуванням місцевих кліматичних умов; застосовуються відповідні технології і матеріали для обігріву, охолоджування і освітлення будівлі за рахунок енергії Сонця і традиційні будівельні технології і матеріали, такі як теплоізоляція, масивні підлоги, звернені на південь вікна. Такі житлові приміщення можуть бути побудовані навіть без додаткових затрат. При виникненні додаткових витрат вони можуть компенсуватися зниженням енерговитрат. Пасивні сонячні будівлі є екологічно чистими, вони сприяють створенню енергетичної незалежності і енергетично збалансованому майбутньому.

У пасивній сонячній системі сама конструкція будівлі виконує роль колектора сонячної радіації. Це визначення відповідає більшості найбільш простих систем, де тепло зберігається в будівлі завдяки його стінам, стелям або підлозі. Є також системи, де передбачені спеціальні елементи для накопичення тепла, вмонтовані у конструкцію будівлі (наприклад, ящики з камінням або заповнені водою баки). Пасивні "сонячні будівлі" - ідеальне місце для життя, оскільки відчувається тісніший зв'язок з природою, є багато природного світла, що відповідно впливає на економію електроенергії.

Історично склалося так, що на проектування будівель впливали місцеві кліматичні умови і доступність будівельних матеріалів. У 100 р. н. е. історик Пліній Молодший побудував літній будиночок в Північній Італії, вікна якого в одній з кімнат були з тонкої слюди. Кімната була тепліша за інші і для обігріву потребувала менше дров. У римських лазнях І-IV ст. н. е. спеціально встановлювали великі вікна, що виходили на південь, для надходження більшої кількості сонячного тепла.

Через перебої з електроенергією під час Другої світової війни і до кінця 1947 р. у Сполучених Штатах будівлі, що пасивно використовували сонячну енергію, мали такий величезний попит, що Libbey-Owens-Ford Glass Company видала книгу "Ваш сонячний будинок", у якій було представлено 49 кращих проектів сонячних будівель. У середині 50-х років XX ст. архітектор Ф. Брайдджерс розробив першу у світі пасивну "сонячну будівлю" для офісного приміщення. Встановлена у ньому сонячна система для забезпечення гарячого водопостачання з того часу працює безперебійно. Сама ж будівля "Брайдджерс-пекстон" занесена в національний історичний реєстр країни як перша у світі офісна будівля, що обігрівається за допомогою енергії Сонця.

Ефективність будь-якої пасивної системи залежить від типу вікон. Скло або інші прозорі матеріали пропускають короткі і затримують довгі хвилі теплового випромінювання усередині приміщення. Вікна регулюють енергетичний потік двома основними способами: взимку вони забезпечують будинок теплом, пропускаючи сонячну енергію всередину будівлі, завдяки чому температура повітря усередині приміщень перевищує зовнішню температуру; влітку сприяють охолодженню будівлі, знижуючи проникнення сонячних променів за допомогою вдалого розташування вікон і їх затінювання, а також використання вентиляції для охолодження будинку.

Прогрес у технології виробництва вікон істотно вплинув на ефективність будівництва у 70-х роках XX ст. Сьогодні вікнам належить важлива роль у пасивних сонячних системах. Головні досягнення у цій сфері:

  • - подвійні і потрійні склопакети з високою тепловою ізоляцією;
  • - скло з покриттям, яке "впускає" тепло, але не "випускає" його назад;
  • - використання аргону (або іншого інертного газу) для заповнення простору усередині склопакета, що приводить до підвищення теплової ізоляції;
  • - технології, засновані на використанні фазового переходу, які дають змогу змінювати прозорість скла за допомогою електричної напруги.

Звичайне скло має високу прозорість для сонячного світла, але погану теплову ізоляцію. Найбільш поширеною конструкцією сьогодні є склопакет із двох стекол, зібраних в один виріб. Склопакети мають достатню прозорістю для сонячної енергії і якісну теплову ізоляцію, що є значним прогресом, порівнянно із звичайними вікнами. Подвійні склопакети використовують у виробництві вікон, дверей, для будівництва засклених дахів, соляріїв, а також у багатьох інших сферах.

Високоякісне скло має найвищий коефіцієнт теплового опору і прозорість для сонячної енергії. Підвищуючи ізоляційні властивості скла, можна одночасно поліпшити дизайн будівлі. Приміщення, обгороджені раніше стінами, можна перетворити на так звані "сонячні кімнати" з пасивним сонячним освітленням (завдяки віконним отворам у даху і стелі). Темні кімнати наповняться природним світлом, сонячним теплом, до того ж можуть відкрити чудові краєвиди. При відносно невеликому збільшенні вартості можна поліпшити енергоефективність, забезпечити велику вологостійкість і захист від ультрафіолетового випромінювання. І як результат - різноманітність проектів будівель.

Пасивний, або енергоефективний, будинок (англ. passive house) - це споруда, основною особливістю якої є мале енергоспоживання - близько 10 % від питомої енергії на одиницю об'єму, яка споживається більшістю сучасних будівель. Ідеально пасивний будинок має бути незалежною енергосистемою, що взагалі не потребує витрат на підтримку комфортної температури. Опалювання пасивного будинку має відбуватися завдяки теплу, що виділяється людьми, котрі живуть у ньому, побутовими приладами й альтернативними джерелами енергії. Гаряче водопостачання має здійснюватися за допомогою установок відновної енергії, наприклад, теплових насосів або сонячних колекторів.

У Європі більша частина додаткових витрат пасивного будинку на поліпшення вікон, вентиляцію і теплоізоляцію компенсуються різноманітними програмами. Наприклад, у Німеччині кожному забудовнику, чий проект відповідає критеріям пасивного будинку, виділяють 50 тис. євро. Інвесторам ці додаткові витрати повертаються вже за сім років. При цьому витрати на спорудження пасивних будівель додатково становлять у середньому до 10 %, а витрати на їх опалення скорочуються удвічі, а то й утричі.

За допомогою сонячного світла можна також освітлювати приміщення у денний час. Для цього застосовуються світлові колодязі. Простий варіант світлового колодязя - отвір у стелі (рис. 6.5). їх застосовують для освітлення приміщень, що не мають вікон: підземних гаражів, станцій метро, промислових будівель, складів, в'язниць тощо.

Світловий колодязь в Пантеоні, Рим

Рис. 6.5. Світловий колодязь в Пантеоні, Рим

Сонячні колектори можуть застосовуватися і для приготування їжі. Температура у фокусі колектора досягає 150 °С. Вартість матеріалів, необхідних для виробництва "сонячної кухні", становить всього 3-7 дол. США. Такі кухонні прилади можна широко застосовувати у країнах, що розвиваються: традиційні вогнища для приготування їжі мають термічну ефективність близько 10 %, а постійне використання дров для приготування їжі призводить до масованої вирубки лісів. Є різні міжнародні програми розповсюдження "сонячних кухонь". Наприклад, у 2008 р. Фінляндія і Китай уклали угоду про постачання 19 тис. "сонячних кухонь" у 31 село Китаю. За розрахунками, це дасть змогу скоротити викиди вуглекислого газу до 2012 р. на 1,7 млн т. Фінляндія у майбутньому зможе купувати квоти на ці викиди.

У світі постійно зростає попит на енергію для кондиціювання і охолоджування. Існують три основні методи активного охолоджування: використання стандартних електричних компресорів; використання кондиціонерів, що приводяться в дію тепловою енергією; використання пару. Усі системи можуть працювати на сонячній енергії, а їх безперечною перевагою є використання абсолютно безпечних робочих рідин: води, сольового розчину або аміаку. Можливе застосування цієї технології не лише для кондиціювання повітря, а й для охолоджування при зберіганні продовольчих продуктів.

Сонячна енергія може застосовуватися у різних хімічних процесах. Наприклад, Інститут наук Вейзмана (Weizmann Institute of Science; Ізраїль) у 2005 p. випробував технологію отримання неокисненого цинку у сонячній башті. Оксид цинку за присутності деревного вугілля нагрівався дзеркалами до температури 1200 °С на вершині сонячної башти. У результаті отримували чистий цинк. Далі його можна герметично упакувати і транспортувати до місць виробництва електроенергії. На місці цинк поміщають у воду, в результаті хімічної реакції виходить водень і оксид цинку. Процес із оксидом цинку і сонячною баштою можна повторювати. Технологія успішно пройшла випробування у сонячній башті канадського Інституту енергетики і прикладних досліджень.

Технологію виробництва водню з води за допомогою параболічних сонячних концентраторів розробила швейцарська компанія Clean Hydrogen Producers. Площа дзеркал установки становить 93 м2. У фокусі концентратора температура досягає 2200 °С. Вода починає розділятися на водень і кисень при температурі, вищій за 1700 °С. За світловий день установка СНР може розділяти на водень і кисень 95 л води. Отже, виробництво водню дорівнює 3800 кг на рік (близько 10,4 кг щодня). Його можна використовувати або для виробництва електроенергії, або як паливо на транспорті.

В Узбекистані розробили й запатентували спосіб здобуття водню з води шляхом використання сонячної енергії. Цей спосіб базується на термічному розкладанні пароподібної води, нагрітої у казані сконцентрованими сонячними променями до температури 1000-1200 °К. Нагріта водяна пара розкладається на водень і кисень. Далі водень відділяють від високотемпературної газової суміші шляхом пропускання її через селективну мембрану з нікелевої фольги. Високотемпературна газова суміш при виході з парового казана потрапляє на лопаті турбіни, що виробляє постійний електричний струм. Його подають в електролізер для додаткового отримання водню. Використану в турбіні водяну пару направляють в опалювальну систему, де вона конденсується, а отримана вода повертається у паровий казан.

Сонячну енергію можна використовувати і на транспорті - для живлення автомобілів, невеликих суден і навіть літаків. З площі у кілька квадратних метрів (дах мікроавтобуса) можна зібрати енергію для живлення акумуляторів, які рухають машину. Вже у 1982 р. автомобіль із сонячними батареями на даху без жодної краплі бензину перетнув Австралію із заходу на схід, подолавши за два місяці відстань близько 4 тис. км із середньою швидкістю ЗО км на годину. На сонячному літаку було здійснено переліт через Ла-Манш.

Фотоелектричні елементи можуть встановлюватися на різних транспортних засобах: човнах, електромобілях і гібридних автомобілях, літаках, дирижаблях і т. д. Вони виробляють електроенергію, яка використовується або для бортового живлення транспортного засобу, або для електродвигуна електричного транспорту. В Італії та Японії фотоелектричні елементи встановлюють на дахи потягів - вони виробляють електрику для кондиціонерів, освітлення і аварійних систем.

Компанія Nippson Yosen К.К., яка е лідером у сфері кораблебудування Японії, побудувала вантажний торговий корабель із встановленими на борту 328 сонячними панелями вантажопідйомністю 60 тис. т. (близько 6400 автомобілів). Вартість баржі становить 1,68 млн дол. Власники судна сподіваються збільшити ККД сонячних панелей на судні: нинішні 0,2 % - це початок і можна чекати появи нових панелей, здатних забезпечити хоча б 50 % необхідної кораблю енергії.

Із сонячної енергії також можна одержувати високотемпературне тепло (до 3800 °С) у печах для промислових цілей. Діють такі печі за тим самим принципом, що й сонячні електростанції з парогенератором: система геліостатів спрямовує сонячні промені на велике параболічне дзеркало, у фокусі якого розміщуються проби металів, сплавів чи мінералів для плавки. Порівняно із звичайними печами сонячні мають низку переваг: розплавлена речовина не стикається з паливом або плавильним тиглем, плавку можна здійснювати у будь-якій атмосфері, і така піч майже не забруднює навколишнє середовище.

За використанням сонячної енергії на душу населення перше місце у світі посідає Кіпр, де майже 90 % будинків та готелів оснащені сонячними водонагрівачами. В Ізраїлі сонячна енергія забезпечує приблизно 65 % гарячого водопостачання. А в Іспанії, згідно із законодавством, кожен новий будинок, що будується, має бути обладнаний системою живлення від сонячної енергії. У Китаї діє масштабна державна програма підтримки розвитку технологій для одержання електроенергії із сонячного світла. У Китайській академії наук стверджують, що до 2050 р. Сонце має стати основним джерелом енергії у країні.

Іспанська компанія Abengoa Solar завершила останні тестові випробування найбільшої у Європі CEC, яка буде забезпечувати електроенергією мешканців Севільї. "Сонячна башта" складається з 1200 дзеркал, які, повертаючись за Сонцем, фокусують відображене світло на верхівці башти заввишки 160 метрів. Отримане таким чином тепло перетворює воду на пару, що обертає турбіну, У конструкції електростанції передбачені сотні геліостатів, що перетворюють світло в електрику і проводять тепло в спеціальну турбіну, що також проводить електричний струм. Усього на станції працює 1255 геліостатів; потужність становить 20 МВт - цього досить для енергопостачання 10 тис. будинків іспанського міста Севілья. До 2013 р. Іспанія планує отримувати від сонячних установок, розташованих на її території, близько 300 МВт електроенергії.

Франція оголосила про свої наміри стати світовим лідером із сонячної енергетики та планує довести потужність своїх сонячних електростанцій до 300 МВт. На сьогодні Франція є четвертою у Євросоюзі країною за потужністю сонячних електростанцій (встановлена потужність - 69 МВт).

Отже, головними перевагами використання сонячної енергії є: екологічна чистота, надійність та можливість довготривалої експлуатації, безпека (наявність автоматичного захисту від короткого замикання, перегріву, перевантажень приладів; розряджання акумуляторів), простота монтування і розбирання, стійкість до впливу природних факторів.

Проте слід сказати і про деякі її недоліки. По-перше, через відносно невелику величину для сонячної енергетики потрібне використання великих земельних площ під електростанції (наприклад, для CEC потужністю 1 ГВт це може бути декілька десятків квадратних кілометрів). Але цей недолік не такий значний - наприклад, гідроенергетика виводить з користування значно більші ділянки землі. До того ж фотоелектричні елементи на великих CEC встановлюються на висоті 1,8-2,5 м, що дозволяє використовувати землі під електростанціями для сільськогосподарських потреб, наприклад, для випасу худоби. Проблема пошуку великих площ землі під сонячні електростанції вирішується у разі застосування сонячних аеростатних електростанцій, придатних як для наземного, так і для морського та висотного базування.

По-друге, CEC не працює вночі і недостатньо ефективно працює у ранкових і вечірніх сутінках. При цьому пік споживання електроенергії припадає саме на вечірні години. Крім того, потужність електростанції може стрімко і несподівано коливатися внаслідок змін погоди. Для подолання цих недоліків потрібно або використовувати ефективні електричні акумулятори (на сьогодні це поки що невирішена проблема), або будувати гідроакумулюючі станції, які теж займають велику територію, або використовувати концепцію водневої енергетики, яка також поки далека від економічної ефективності. Проблема залежності потужності сонячної електростанції від часу доби і погодних умов може бути вирішена спорудженням сонячних аеростатних електростанцій. Ще один шлях вирішення проблеми - будівництво гібридних електростанцій, тобто вдень електроенергія виробляється параболічними концентраторами, а вночі - з природного газу.

По-третє, сонячні фотоелементи високовартісні. Ймовірно, з розвитком технології цей недолік буде подолано. Протягом 1990-2005 рр. ціни на фотоелементи знижувалися у середньому на 4 % щороку.

Ще одним недоліком є недостатній ККД сонячних елементів (ймовірно, незабаром цю проблему буде вирішено). Крім того, поверхню фотоелектричних панелей періодично потрібно очищувати від пилу та інших забруднень. Зважаючи на те, що їх площа досягає декількох квадратних кілометрів, це також можна вважати серйозним недоліком.

Ефективність фотоелектричних елементів значно знижується при їх нагріванні, тому виникає необхідність в установці систем охолоджування, зазвичай водяних. Знижується вона також і через ЗО років експлуатації, що теж належить до проблемних питань.

Незважаючи на екологічну чистоту отримуваної енергії, самі фотоелементи містять отруйні речовини, наприклад, свинець, кадмій, галій, миш'як тощо, у їх виробництві використовуються також інші небезпечні речовини. Сучасні фотоелементи мають обмежений термін експлуатації (30-50 років), їх активне застосування передбачатиме виникнення проблеми їх утилізації. Тому останнім часом починає активно розвиватися виробництво тонкоплівкових фотоелементів, у складі яких міститься близько 1 % кремнію, завдяки чому вони дешевші у виробництві, але поки мають меншу ефективність.

Отже, сонячне випромінювання є загальнодоступним і невичерпним джерелом енергії. Теоретично сонячна енергетика вирізняється повною безпечністю для навколишнього середовища (якщо не брати до уваги наявність отруйних речовин у фотоелементах).

Але перспективи подальшого розвитку сонячної енергетики дещо зменшуються через глобальне затемнення, тобто антропогенне зменшення сонячного випромінювання, що доходить до поверхні Землі.

 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Банківська справа
БЖД
Бухоблік та Аудит
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Менеджмент
Нерухомість
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
РПС
Соціологія
Статистика
Страхова справа
Техніка
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Інші