МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ'Я УКРАЇНИ
УО «Вітебський державний ордена Дружби народів медичний університет»
Кафедра медичної та біологічної фізики
РЕФЕРАТ
з предмету «Основи енергозбереження»
на тему: «Перетворення сонячної енергії»
Виконав:
студент 1 групи 1 курсу
фармацевтичного факультету
Балтруконіс С.А.
Перевірив:
Шахрай Г.Л.
Вітебськ, 2008
Зміст
Сонячна енергетика
Сонячна енергетика - використання сонячної енергії для отримання енергії в будь-якому вигляді. Сонячна енергетика використовує поновлюване джерело енергії і в перспективі може стати екологічно чистою, тобто не виробляє шкідливих відходів.
Нині сонячна енергетика широко застосовується у випадках, коли малодоступності інших джерел енергії в сукупності з достатком сонячного випромінювання виправдовує її економічно.
Сонце. Джерело життя і жорсткий вбивця, що дає можливість народитися і вирости кожному живому організму на Землі вже протягом кількох мільярдів років. Всерйоз про технологічний «приручення» сонячного світла людина почала замислюватися тільки в минулому столітті.
Потік сонячного випромінювання, що проходить через площу в 1 м 2 , Розташовану перпендикулярно потоку випромінювання на відстані однієї астрономічної одиниці від центру Сонця (тобто зовні атмосфери) Землі, рівний 1367 Вт / м 2 (сонячна постійна). Через поглинання атмосферою Землі, максимальний потік сонячного випромінювання на рівні моря - 1020 Вт / м 2. Проте слід врахувати, що середньодобове значення потоку сонячного випромінювання як мінімум в три рази менше (через зміни дня і ночі і зміни кута сонця над горизонтом). Взимку в помірних широтах це значення в два раз менше. Ця кількість енергії з одиниці площі визначає можливості сонячної енергетики.
Перспективи сонячної енергетики також зменшуються через глобального затемнення - антропогенного зменшення сонячного випромінювання, що доходить до поверхні Землі.
Історія розвитку сонячної енергетики
У далекому 1839 Олександр Едмон Беккерель відкрив Фотогальванічний ефект.
Через 44 роки Чарльзу Фріттсу вдалося сконструювати перший модуль з використанням сонячної енергії, а основою для нього послужив селен, покритий тонким шаром золота. Вчений встановив, що таке поєднання елементів дозволяє, хоч і в мінімальному обсязі (близько 1%), перетворювати енергію сонця в електрику.
Саме 1883 прийнято вважати роком народження ери сонячної енергетики. Однак так думають не всі. У науковому світі існує думка, що «батьком» епохи сонячної енергії є не хто інший, як сам Альберт Ейнштейн.
У 1921 році Ейнштейн був удостоєний Нобелівської премії. Багато хто вважає, що цю нагороду великий учений XX століття отримав за обгрунтування сформульованої ним теорії відносності, але це не так. Виявляється, премію фізик отримав саме за пояснення законів зовнішнього фотоефекту.
Протягом ста років розвиток галузі переживало то різкі, стимульовані вченими, інвестиціями приватних і державних структур підйоми, то гіркі падіння, змусили суспільство забути про «сонячних технологіях» на роки.
Способи отримання електрики і тепла з сонячного випромінювання
1) Отримання електроенергії за допомогою фотоелементів.
2) геліотермальних енергетика - нагрівання поверхні, що поглинає сонячні промені і подальший розподіл і використання тепла (фокусування сонячного випромінювання на судині з водою для подальшого використання нагрітої води в опалюванні або в парових електрогенераторах).
3) «Сонячне вітрило» - пристрій, здатний в безповітряному просторі перетворювати сонячні промені в кінетичну енергію.
4) Термоповітряні електростанції - перетворюють сонячної енергії в енергію повітряного потоку, що направляється на турбогенератор.
5) Сонячні аеростатні електростанції - генерують водяна пара усередині балона аеростата за рахунок нагрівання сонячним випромінюванням поверхні аеростата, покритої селективно-поглинаючим покриттям. Перевага - запасу пари в балоні достатньо для роботи електростанції в темний час доби і в погану погоду.
Переваги використання сонячної енергетики
1) Загальнодоступність і невичерпність джерела (Сонця).
2) Теоретично, повна безпека для навколишнього середовища (проте в даний час у виробництві фотоелементів і в них самих використовуються шкідливі речовини).
Недоліки використання сонячної енергетики
Фундаментальні проблеми:
1) З-за відносно невеликої величини сонячної постійної для сонячної енергетики потрібне використання великих площ землі під електростанції (наприклад, для електростанції потужністю 1 ГВт це може бути декілька десятків квадратних кілометрів). Проте, цей недолік не так великий (наприклад, гідроенергетика виводить з користування помітно великі ділянки землі). До того ж фотоелектричні елементи на великих сонячних електростанціях встановлюються на висоті 1,8-2,5 метра, що дозволяє використовувати землі під електростанцією для сільськогосподарських потреб, наприклад, для випасу худоби.
Проблема знаходження великих площ землі під сонячні електростанції вирішується у разі застосування сонячних аеростатних електростанцій, придатних як для наземного, так і для морського і для висотного базування.
2) Потік сонячної енергії на поверхні Землі сильно залежить від широти і клімату. У різних місцях середня кількість сонячних днів у році може розрізнятися дуже сильно.
Технічні проблеми:
1) Сонячна електростанція не працює вночі і недостатньо ефективно працює у ранкових і вечірніх сутінках. При цьому пік електроспоживання припадає саме на вечірні години. Крім того, потужність електростанції може стрімко і несподівано коливатися через зміни погоди. Для подолання цих недоліків потрібно або використовувати ефективні електричні акумулятори (на сьогоднішній день це 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 вирішується у разі сонячних аеростатних електростанцій.
2) Дорожнеча сонячних фотоелементів. Ймовірно, з розвитком технології цей недолік подолають. У 1990-2005 рр.. ціни на фотоелементи знижувалися в середньому на 4% на рік.
3) Недостатній ККД сонячних елементів.
4) Поверхня фотопанелей потрібно очищати від пилу та інших забруднень. При їх площі в декілька квадратних кілометрів це може викликати труднощі.
5) Ефективність фотоелектричних елементів помітно падає при їх нагріванні, тому виникає необхідність в установці систем охолоджування, зазвичай водяних.
6) Через 30 років експлуатації ефективність фотоелектричних елементів починає знижуватися.
Екологічні проблеми:
1) Не дивлячись на екологічну чистоту отримуваної енергії, самі фотоелементи містять отруйні речовини, наприклад, свинець, кадмій, галій, миш'як і т. д., а їх виробництво споживає масу інших небезпечних речовин. Сучасні фотоелементи мають обмежений термін служби (30-50 років), і масове застосування поставить в найближчий же час складне питання їх утилізації, який теж не має поки прийнятного з екологічної точки зору рішення.
З-за екологічних проблем і виниклого дефіциту кремнію починає активно розвиватися виробництво тонкоплівкових фотоелементів, у складі яких міститься всього біля 1% кремнію. До того ж тонкоплівкові фотоелементи дешевші у виробництві, але поки мають меншу ефективність. (Так, наприклад, у 2005 році компанія «Shell» ухвалила рішення сконцентруватися на виробництві тонкоплівкових елементів, і продала свій бізнес з виробництва кремнієвих фотоелектричних елементів).
Типи фотоелектричних елементів:
1) Монокристалічні кремнієві;
2) Полікристалічні кремнієві;
3) Тонкоплівкові.
У 2005 році на тонкоплівкові фотоелементи припадало 6% ринку.
У 2006 році - 7% частку ринку.
У 2007 році - 8%.
За період з 1999 по 2006 роки поставки тонкоплівкових фотоелементів росли щорічно в середньому на 80%.
Мінімальні ціни на фотоелементи (початок 2007р.)
1) Монокристалічні кремнієві - 4,30 $ / Вт встановленої потужності.
2) Полікристалічні кремнієві - 4,31 $ / Вт встановленої потужності.
3) Тонкоплівкові - 3,0 $ / Вт встановленої потужності.
Вартість кристалічних фотоелементів на 40-50% складається з вартості кремнію.
Сировина, з якого роблять сонячні батареї
Кремній (основний ресурс для виробництва більшості типів сонячних батарей) - другий за поширеністю елемент на нашій планеті. На кремній припадає більше чверті загальної маси земної кори.
У більшості випадків це речовина зустрічається у вигляді окису - SiO 2, а ось добути чистий кремній з цього з'єднання складно, навіть проблематично.
Тут мають місце вартісні чинники, особливості технологій. Цікаво відзначити, що собівартість чистого «сонячного» кремнію дорівнює собівартості урану для АЕС, ось тільки запасів кремнію на нашій планеті в 100 тисяч разів більше.
Унаслідок високої кремнію, що відбивається на роздрібній ціні сонячних елементів, дослідницькі центри протягом багатьох років працюють над пошуком гідної альтернативи.
Наприклад, можна використовувати замість кремнію синтетичні волокна, здатні під впливом світла генерувати електричний струм.
Сонячна термальна енергетика
Сонячна енергія широко використовується як для нагрівання води, так і для виробництва електроенергії. Сонячні колектори виготовляються з доступних матеріалів: сталь, мідь, алюміній і т.д., тобто без застосування дефіцитного і дорогого кремнію. Це дозволяє значно скоротити вартість устаткування, і виробленої на ньому енергії.
У 2001 році вартість електроенергії, отриманої в сонячних колекторах, становила $ 0,09 - $ 0,12 за кВт · год Департамент Енергетики США прогнозує, що вартість електроенергії, виробленої сонячними концентраторами, знизиться до $ 0,04 - $ 0,05 до 2015 - 2020 р .
Зацікавленість суспільства
Тенденція зростання цін на викопне паливо стимулює і в деякій мірі виправдовує високі витрати приватних і державних інвесторів на розвиток та впровадження «сонячних» технологій.
Не секрет, що в певній мірі зацікавленість суспільства в цьому альтернативне джерело енергії є наслідком стурбованості людей промисловими і транспортними викидами парникових газів - однієї з причин глобальних змін клімату. На щастя, регулюючі структури з кожним роком посилюють вимоги за викидами в атмосферу газів до держав і окремим компаніям.
Стратегія і тактика приватного бізнесу з виробництва «сонячної» енергії
У наші дні, особливо в розвинених країнах, великою популярністю користуються так звані приватні або приватні сонячні установки. У деякій мірі «сімейна видобуток» електрики за допомогою геліоустановок перетворилася на достатньо стабільний і прибутковий бізнес.
Звичайно, тут важливо враховувати велику кількість специфічних факторів (географічне розташування, клімат, політика, ринкова ситуація), проте в США і в деяких європейських країнах багато фермерів, які досі займалися вирощуванням худоби, сьогодні переобладнали пасовища в поля для збирання сонячної енергії. Стратегія такого бізнесу проста - заповзятливі люди не тільки використовують сонячну електрику без шкоди для власного бюджету, але і продають надлишки енергії державним структурам. Приміром, у Німеччині служби скуповують сонячне електрику у фермерів, приватних осіб, а потім продають його населенню за низькою ціною. Більше того, стати учасником цього специфічного ринку може практично кожен - бізнесмени, які встановлюють фотоелектричні перетворювачі на даху офісів, власники земельних ділянок. При нинішніх цінах стандартна сонячна установка окупається за 8 з гаком років.
Технології сонячної енергетики
Більш ніж за півстоліття вчені перепробували величезна кількість різних варіантів і способів видобутку і використання сонячної енергії. Дорогі та малоефективні технології поступалися місце привабливим і дешевим розробкам, які не припиняють вдосконалюватися протягом багатьох років.
Класифікація «сонячних» технологій, розділених вченими на 4 групи:
1) Активні - разом з перетворювачами задіюються механізми, електромотори, помпи. Сонячна енергія використовується для нагріву води, освітлення, вентиляції.
2) Пасивні - відрізняються від активних відсутністю в контурах систем будь-яких механізмів, рушійних частин. Особливістю побудови пасивних сонячних структур для організації систем вентиляції, опалення є підбір відповідних за фізичними параметрами будівельних матеріалів, специфічна планування приміщення, розміщення вікон.
3) Безпосередні або «прямим» - системи, перетворюють сонячну енергію в ході одного рівня або етапи.
4) «Непрямі» технології - системи, процес функціонування яких включає в себе багаторівневі перетворення і трансформації для отримань необхідної форми енергії.
Виходячи з вище представленої класифікації груп технологій сонячної енергетики, можна охарактеризувати сфери діяльності людини, де енергія сонця отримала найбільше розповсюдження.
Сфери діяльності людини, де енергія сонця набула найбільшого поширення:
1) Системи природного освітлення - один з методів застосування пасивних технологій сонячної енергетики для облаштування офісів і житлових приміщень. Суть цього методу полягає у використанні сонячного світла як альтернатива електричних ламп і світильників. Необхідність побудови систем природного освітлення потрібно продумувати на початкових стадіях планування будівлі, оскільки тут дуже важливу роль грає структура даху будинку, розташування вікон. Крім естетичного та психологічного задоволення, системи природного освітлення можуть допомогти власникам заощадити на електриці і виділитися серед когорти цінителів незвичайних архітектурних рішень. Головним недоліком цього методу пасивних технологій сонячної енергетики є складність розробки і реалізації.
2) «Кухонна» сонячна енергія: У далекому 1767 Орас Бенедикт де Соссюр для потреб альпіністської діяльності сконструював піч для приготування їжі силою сонячних променів.
3) Сонячні нагрівальні установки: У даному випадку сонячна енергія використовується для нагріву води в резервуарах, в основному для господарських потреб. Цікаво відзначити, але перші такі установки почали продаватися в США ще в кінці XIX століття. Сонячні колектори користувалися широкою популярністю серед населення різних країн аж до 1920 року, поки не були витіснені дешевими і практичними горючими рідинами (у той час бензину, як проміжного продукту переробки нафти, ще не встигли знайти застосування).
Сьогодні світовим лідером з використання таких установок є Китай, де сонячні нагрівачі займають 80% сегменту цього специфічного ринку. Зазначу, що з технічної точки зору ефективність колекторів знаходиться на досить високому рівні (87%). Сонячні нагрівальні перетворювачі служать відмінними замінниками газових колонок у побуті, забезпечуючи споживачів гарячою водою для басейнів і душових.
Відомо, що за допомогою особливих конструкцій колекторів можна також качати воду з глибоких колодязів, знесолюючої її; сушити фрукти, овочі і навіть заморожувати продукти.
4) гелиоконцентратора: Вчені й інженери, які використовують метод фокусування сонячних променів для вироблення електрики або тепла, через дорожнечу і складність виготовлення величезних лінз, використовують масиви увігнутих дзеркал (класичні дзеркальні панелі або аркуші полірованого алюмінію). Дзеркала є складовою частиною гелиоконцентратора - установки, яка збирає паралельні сонячні промені в одній точці. Якщо в цю точку-фокус помістити трубу з теплоносієм (водою або іншою рідиною), вона нагріється.
Використання сонячної енергії в Республіці Білорусь
На територію Білорусі щодня потрапляє близько 75-100 Вт / м 2 сонячної енергії, що в 5-6 разів менше, ніж на територію пустелі Сахара.
Зважаючи на малу значення сонячної постійної, для вироблення енергії, яка покрила б всю потреба республіки, необхідно побудувати сонячні батареї на території, що дорівнює 3 всій% площі країни.
Є пропозиції віддати на забудову територію, яка постраждала від аварії на Чорнобильській АС.
Однак з огляду на дорожнечу сонячних батарей і неостаточній розробки технологій, ідея використання сонячної енергії в Білорусі поки не розглядається.
Підсумки розвитку фотоелементом галузі
Якщо в 1985р. всі встановлені потужності світу становили 21 МВт, то за один тільки 2006р. було встановлено 1744 МВт (за даними компанії Navigant consulting), що на 19% більше, ніж у 2005р. У Німеччині встановлені потужності зросли на 960 МВт, що на 16% більше, ніж у 2005р. У Японії встановлені потужності зросли на 296,5 МВт. У США встановлені потужності зросли на 139,5 МВт (+ 33%).
До 2005р. сумарні встановлені потужності досягли 5 Гвт. Інвестиції в 2005 році в будівництво нових заводів з виробництва фотоелементів склали 1 млрд. $.
Введення в дію нових потужностей в 2005р.: Німеччина - 57%; Японія - 20%; США - 7%; решта світу - 16%. Частка країн у сумарних встановлених потужностях (на 2004р.): Німеччина - 39%; Японія - 30%, США - 9%; решта світу - 22%.
Виробництво фотоелементів у світі зросла з 1656 МВт в 2005р. до 1982,4 МВт. в 2006р. Японія продовжує утримувати світове лідерство у виробництві - 44% світового ринку; в Європі виробляється 31%. США виробляють 7% від світового виробництва, хоча в 2000р. ця цифра доходила до 26%.
До 2010р. встановлена потужність установок на фотоелементах досягне 3,2-3,9 ГВт, а виручка виробників становитиме 18,6-23,1 млрд $ / рік.
Коли встановлені потужності фотоелементів в світі подвоюються, ціна електрики, виробленого сонячною енергетикою, падає на 20-30%.
Перетворення енергії Сонця в енергію хімічних зв'язків (технологія майбутнього)
Даний механізм придуманий самою природою і називається фотосинтезом.
Фотосинтез - процес утворення на світлі органічних речовин з неорганічних. Процес йде в хлоропластах.
«Якщо з хлоропластів рослин виділити мембрани, що містять фотосістему2, то на світлі відбувається фотоліз води - розкладання її на кисень і водень. Моделювання процесів фотосинтезу, що відбуваються в хлоропластах, дозволило б запасати енергію Сонця у коштовному паливі - водні ».
Переваги такого способу отримання енергії очевидні:
• наявність надлишку субстрату (води);
• нелімітіруемий джерело енергії - Сонце;
• продукт (водень) можна зберігати, не забруднюючи атмосферу;
• водень має високу теплотворну здатність (29 ккал / г) в порівнянні з вуглеводнями (3,5 ккал / г);
• процес йде при нормальній температурі без утворення токсичних проміжних продуктів;
• процес циклічний, так як при споживанні водню регенерується субстрат - воду.
Дана теорія є теорією майбутнього, і якщо їй судилося збутися, то людство назавжди забуде про брак енергії.
Висновок
Усе ще суперечлива сонячна енергетика тільки починає здобувати країни з ринковою економікою і держави, що розвиваються.
Дорожнеча технологій стримує цей процес.
Однак поступове здешевлення установок робить енергію сонця все більш привабливою.
Упевнений, успіх розвитку цієї галузі безпосередньо залежатиме від того, як швидко ми зможемо почати оперувати з енергією Сонця.
Використана література
1) www.ru / wikipedia.org / Сонячна енергія /;
2) www.3dnews.ru/editorial/sun_energy;
3) www.biotechnolog.ru.
УО «Вітебський державний ордена Дружби народів медичний університет»
Кафедра медичної та біологічної фізики
РЕФЕРАТ
з предмету «Основи енергозбереження»
на тему: «Перетворення сонячної енергії»
Виконав:
студент 1 групи 1 курсу
фармацевтичного факультету
Балтруконіс С.А.
Перевірив:
Шахрай Г.Л.
Вітебськ, 2008
Зміст
| Сонячна енергетика | С.3 |
| Історія розвитку сонячної енергетики | С.3 |
| Способи отримання електрики і тепла з сонячного випромінювання | С.4 |
| Переваги використання сонячної енергетики | С.4 |
| Недоліки використання сонячної енергетики | С.4 |
| Типи фотоелектричних елементів | С.6 |
| Мінімальні ціни на фотоелементи (початок | С.6 |
| Сировина, з якого роблять сонячні батареї | С.6 |
| Сонячна термальна енергетика | С.7 |
| Зацікавленість суспільства | С.7 |
| Стратегія і тактика приватного бізнесу з виробництва «сонячної» енергії | С.7 |
| Технології сонячної енергетики | С.8 |
| Сфери діяльності людини, де енергія сонця набула найбільшого поширення | С.8 |
| Використання сонячної енергії в Республіці Білорусь | С.9 |
| Підсумки розвитку фотоелементом галузі | С.10 |
| Перетворення енергії Сонця в енергію хімічних зв'язків (технологія майбутнього) | С.10 |
| Висновок | С.11 |
| Використана література | С.11 |
Сонячна енергетика
Сонячна енергетика - використання сонячної енергії для отримання енергії в будь-якому вигляді. Сонячна енергетика використовує поновлюване джерело енергії і в перспективі може стати екологічно чистою, тобто не виробляє шкідливих відходів.
Нині сонячна енергетика широко застосовується у випадках, коли малодоступності інших джерел енергії в сукупності з достатком сонячного випромінювання виправдовує її економічно.
Сонце. Джерело життя і жорсткий вбивця, що дає можливість народитися і вирости кожному живому організму на Землі вже протягом кількох мільярдів років. Всерйоз про технологічний «приручення» сонячного світла людина почала замислюватися тільки в минулому столітті.
Потік сонячного випромінювання, що проходить через площу в
Перспективи сонячної енергетики також зменшуються через глобального затемнення - антропогенного зменшення сонячного випромінювання, що доходить до поверхні Землі.
Історія розвитку сонячної енергетики
У далекому 1839 Олександр Едмон Беккерель відкрив Фотогальванічний ефект.
Через 44 роки Чарльзу Фріттсу вдалося сконструювати перший модуль з використанням сонячної енергії, а основою для нього послужив селен, покритий тонким шаром золота. Вчений встановив, що таке поєднання елементів дозволяє, хоч і в мінімальному обсязі (близько 1%), перетворювати енергію сонця в електрику.
Саме 1883 прийнято вважати роком народження ери сонячної енергетики. Однак так думають не всі. У науковому світі існує думка, що «батьком» епохи сонячної енергії є не хто інший, як сам Альберт Ейнштейн.
У 1921 році Ейнштейн був удостоєний Нобелівської премії. Багато хто вважає, що цю нагороду великий учений XX століття отримав за обгрунтування сформульованої ним теорії відносності, але це не так. Виявляється, премію фізик отримав саме за пояснення законів зовнішнього фотоефекту.
Протягом ста років розвиток галузі переживало то різкі, стимульовані вченими, інвестиціями приватних і державних структур підйоми, то гіркі падіння, змусили суспільство забути про «сонячних технологіях» на роки.
Способи отримання електрики і тепла з сонячного випромінювання
1) Отримання електроенергії за допомогою фотоелементів.
2) геліотермальних енергетика - нагрівання поверхні, що поглинає сонячні промені і подальший розподіл і використання тепла (фокусування сонячного випромінювання на судині з водою для подальшого використання нагрітої води в опалюванні або в парових електрогенераторах).
3) «Сонячне вітрило» - пристрій, здатний в безповітряному просторі перетворювати сонячні промені в кінетичну енергію.
4) Термоповітряні електростанції - перетворюють сонячної енергії в енергію повітряного потоку, що направляється на турбогенератор.
5) Сонячні аеростатні електростанції - генерують водяна пара усередині балона аеростата за рахунок нагрівання сонячним випромінюванням поверхні аеростата, покритої селективно-поглинаючим покриттям. Перевага - запасу пари в балоні достатньо для роботи електростанції в темний час доби і в погану погоду.
Переваги використання сонячної енергетики
1) Загальнодоступність і невичерпність джерела (Сонця).
2) Теоретично, повна безпека для навколишнього середовища (проте в даний час у виробництві фотоелементів і в них самих використовуються шкідливі речовини).
Недоліки використання сонячної енергетики
Фундаментальні проблеми:
1) З-за відносно невеликої величини сонячної постійної для сонячної енергетики потрібне використання великих площ землі під електростанції (наприклад, для електростанції потужністю 1 ГВт це може бути декілька десятків квадратних кілометрів). Проте, цей недолік не так великий (наприклад, гідроенергетика виводить з користування помітно великі ділянки землі). До того ж фотоелектричні елементи на великих сонячних електростанціях встановлюються на висоті 1,8-2,5 метра, що дозволяє використовувати землі під електростанцією для сільськогосподарських потреб, наприклад, для випасу худоби.
Проблема знаходження великих площ землі під сонячні електростанції вирішується у разі застосування сонячних аеростатних електростанцій, придатних як для наземного, так і для морського і для висотного базування.
2) Потік сонячної енергії на поверхні Землі сильно залежить від широти і клімату. У різних місцях середня кількість сонячних днів у році може розрізнятися дуже сильно.
Технічні проблеми:
1) Сонячна електростанція не працює вночі і недостатньо ефективно працює у ранкових і вечірніх сутінках. При цьому пік електроспоживання припадає саме на вечірні години. Крім того, потужність електростанції може стрімко і несподівано коливатися через зміни погоди. Для подолання цих недоліків потрібно або використовувати ефективні електричні акумулятори (на сьогоднішній день це 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 вирішується у разі сонячних аеростатних електростанцій.
2) Дорожнеча сонячних фотоелементів. Ймовірно, з розвитком технології цей недолік подолають. У 1990-2005 рр.. ціни на фотоелементи знижувалися в середньому на 4% на рік.
3) Недостатній ККД сонячних елементів.
4) Поверхня фотопанелей потрібно очищати від пилу та інших забруднень. При їх площі в декілька квадратних кілометрів це може викликати труднощі.
5) Ефективність фотоелектричних елементів помітно падає при їх нагріванні, тому виникає необхідність в установці систем охолоджування, зазвичай водяних.
6) Через 30 років експлуатації ефективність фотоелектричних елементів починає знижуватися.
Екологічні проблеми:
1) Не дивлячись на екологічну чистоту отримуваної енергії, самі фотоелементи містять отруйні речовини, наприклад, свинець, кадмій, галій, миш'як і т. д., а їх виробництво споживає масу інших небезпечних речовин. Сучасні фотоелементи мають обмежений термін служби (30-50 років), і масове застосування поставить в найближчий же час складне питання їх утилізації, який теж не має поки прийнятного з екологічної точки зору рішення.
З-за екологічних проблем і виниклого дефіциту кремнію починає активно розвиватися виробництво тонкоплівкових фотоелементів, у складі яких міститься всього біля 1% кремнію. До того ж тонкоплівкові фотоелементи дешевші у виробництві, але поки мають меншу ефективність. (Так, наприклад, у 2005 році компанія «Shell» ухвалила рішення сконцентруватися на виробництві тонкоплівкових елементів, і продала свій бізнес з виробництва кремнієвих фотоелектричних елементів).
Типи фотоелектричних елементів:
1) Монокристалічні кремнієві;
2) Полікристалічні кремнієві;
3) Тонкоплівкові.
У 2005 році на тонкоплівкові фотоелементи припадало 6% ринку.
У 2006 році - 7% частку ринку.
У 2007 році - 8%.
За період з 1999 по 2006 роки поставки тонкоплівкових фотоелементів росли щорічно в середньому на 80%.
Мінімальні ціни на фотоелементи (початок 2007р.)
1) Монокристалічні кремнієві - 4,30 $ / Вт встановленої потужності.
2) Полікристалічні кремнієві - 4,31 $ / Вт встановленої потужності.
3) Тонкоплівкові - 3,0 $ / Вт встановленої потужності.
Вартість кристалічних фотоелементів на 40-50% складається з вартості кремнію.
Сировина, з якого роблять сонячні батареї
Кремній (основний ресурс для виробництва більшості типів сонячних батарей) - другий за поширеністю елемент на нашій планеті. На кремній припадає більше чверті загальної маси земної кори.
У більшості випадків це речовина зустрічається у вигляді окису - SiO 2, а ось добути чистий кремній з цього з'єднання складно, навіть проблематично.
Тут мають місце вартісні чинники, особливості технологій. Цікаво відзначити, що собівартість чистого «сонячного» кремнію дорівнює собівартості урану для АЕС, ось тільки запасів кремнію на нашій планеті в 100 тисяч разів більше.
Унаслідок високої кремнію, що відбивається на роздрібній ціні сонячних елементів, дослідницькі центри протягом багатьох років працюють над пошуком гідної альтернативи.
Наприклад, можна використовувати замість кремнію синтетичні волокна, здатні під впливом світла генерувати електричний струм.
Сонячна термальна енергетика
Сонячна енергія широко використовується як для нагрівання води, так і для виробництва електроенергії. Сонячні колектори виготовляються з доступних матеріалів: сталь, мідь, алюміній і т.д., тобто без застосування дефіцитного і дорогого кремнію. Це дозволяє значно скоротити вартість устаткування, і виробленої на ньому енергії.
У 2001 році вартість електроенергії, отриманої в сонячних колекторах, становила $ 0,09 - $ 0,12 за кВт · год Департамент Енергетики США прогнозує, що вартість електроенергії, виробленої сонячними концентраторами, знизиться до $ 0,04 - $ 0,05 до 2015 -
Зацікавленість суспільства
Тенденція зростання цін на викопне паливо стимулює і в деякій мірі виправдовує високі витрати приватних і державних інвесторів на розвиток та впровадження «сонячних» технологій.
Не секрет, що в певній мірі зацікавленість суспільства в цьому альтернативне джерело енергії є наслідком стурбованості людей промисловими і транспортними викидами парникових газів - однієї з причин глобальних змін клімату. На щастя, регулюючі структури з кожним роком посилюють вимоги за викидами в атмосферу газів до держав і окремим компаніям.
Стратегія і тактика приватного бізнесу з виробництва «сонячної» енергії
У наші дні, особливо в розвинених країнах, великою популярністю користуються так звані приватні або приватні сонячні установки. У деякій мірі «сімейна видобуток» електрики за допомогою геліоустановок перетворилася на достатньо стабільний і прибутковий бізнес.
Звичайно, тут важливо враховувати велику кількість специфічних факторів (географічне розташування, клімат, політика, ринкова ситуація), проте в США і в деяких європейських країнах багато фермерів, які досі займалися вирощуванням худоби, сьогодні переобладнали пасовища в поля для збирання сонячної енергії. Стратегія такого бізнесу проста - заповзятливі люди не тільки використовують сонячну електрику без шкоди для власного бюджету, але і продають надлишки енергії державним структурам. Приміром, у Німеччині служби скуповують сонячне електрику у фермерів, приватних осіб, а потім продають його населенню за низькою ціною. Більше того, стати учасником цього специфічного ринку може практично кожен - бізнесмени, які встановлюють фотоелектричні перетворювачі на даху офісів, власники земельних ділянок. При нинішніх цінах стандартна сонячна установка окупається за 8 з гаком років.
Технології сонячної енергетики
Більш ніж за півстоліття вчені перепробували величезна кількість різних варіантів і способів видобутку і використання сонячної енергії. Дорогі та малоефективні технології поступалися місце привабливим і дешевим розробкам, які не припиняють вдосконалюватися протягом багатьох років.
Класифікація «сонячних» технологій, розділених вченими на 4 групи:
1) Активні - разом з перетворювачами задіюються механізми, електромотори, помпи. Сонячна енергія використовується для нагріву води, освітлення, вентиляції.
2) Пасивні - відрізняються від активних відсутністю в контурах систем будь-яких механізмів, рушійних частин. Особливістю побудови пасивних сонячних структур для організації систем вентиляції, опалення є підбір відповідних за фізичними параметрами будівельних матеріалів, специфічна планування приміщення, розміщення вікон.
3) Безпосередні або «прямим» - системи, перетворюють сонячну енергію в ході одного рівня або етапи.
4) «Непрямі» технології - системи, процес функціонування яких включає в себе багаторівневі перетворення і трансформації для отримань необхідної форми енергії.
Виходячи з вище представленої класифікації груп технологій сонячної енергетики, можна охарактеризувати сфери діяльності людини, де енергія сонця отримала найбільше розповсюдження.
Сфери діяльності людини, де енергія сонця набула найбільшого поширення:
1) Системи природного освітлення - один з методів застосування пасивних технологій сонячної енергетики для облаштування офісів і житлових приміщень. Суть цього методу полягає у використанні сонячного світла як альтернатива електричних ламп і світильників. Необхідність побудови систем природного освітлення потрібно продумувати на початкових стадіях планування будівлі, оскільки тут дуже важливу роль грає структура даху будинку, розташування вікон. Крім естетичного та психологічного задоволення, системи природного освітлення можуть допомогти власникам заощадити на електриці і виділитися серед когорти цінителів незвичайних архітектурних рішень. Головним недоліком цього методу пасивних технологій сонячної енергетики є складність розробки і реалізації.
2) «Кухонна» сонячна енергія: У далекому 1767 Орас Бенедикт де Соссюр для потреб альпіністської діяльності сконструював піч для приготування їжі силою сонячних променів.
3) Сонячні нагрівальні установки: У даному випадку сонячна енергія використовується для нагріву води в резервуарах, в основному для господарських потреб. Цікаво відзначити, але перші такі установки почали продаватися в США ще в кінці XIX століття. Сонячні колектори користувалися широкою популярністю серед населення різних країн аж до 1920 року, поки не були витіснені дешевими і практичними горючими рідинами (у той час бензину, як проміжного продукту переробки нафти, ще не встигли знайти застосування).
Сьогодні світовим лідером з використання таких установок є Китай, де сонячні нагрівачі займають 80% сегменту цього специфічного ринку. Зазначу, що з технічної точки зору ефективність колекторів знаходиться на досить високому рівні (87%). Сонячні нагрівальні перетворювачі служать відмінними замінниками газових колонок у побуті, забезпечуючи споживачів гарячою водою для басейнів і душових.
Відомо, що за допомогою особливих конструкцій колекторів можна також качати воду з глибоких колодязів, знесолюючої її; сушити фрукти, овочі і навіть заморожувати продукти.
4) гелиоконцентратора: Вчені й інженери, які використовують метод фокусування сонячних променів для вироблення електрики або тепла, через дорожнечу і складність виготовлення величезних лінз, використовують масиви увігнутих дзеркал (класичні дзеркальні панелі або аркуші полірованого алюмінію). Дзеркала є складовою частиною гелиоконцентратора - установки, яка збирає паралельні сонячні промені в одній точці. Якщо в цю точку-фокус помістити трубу з теплоносієм (водою або іншою рідиною), вона нагріється.
Використання сонячної енергії в Республіці Білорусь
На територію Білорусі щодня потрапляє близько 75-100 Вт / м 2 сонячної енергії, що в 5-6 разів менше, ніж на територію пустелі Сахара.
Зважаючи на малу значення сонячної постійної, для вироблення енергії, яка покрила б всю потреба республіки, необхідно побудувати сонячні батареї на території, що дорівнює 3 всій% площі країни.
Є пропозиції віддати на забудову територію, яка постраждала від аварії на Чорнобильській АС.
Однак з огляду на дорожнечу сонячних батарей і неостаточній розробки технологій, ідея використання сонячної енергії в Білорусі поки не розглядається.
Підсумки розвитку фотоелементом галузі
Якщо в 1985р. всі встановлені потужності світу становили 21 МВт, то за один тільки 2006р. було встановлено 1744 МВт (за даними компанії Navigant consulting), що на 19% більше, ніж у 2005р. У Німеччині встановлені потужності зросли на 960 МВт, що на 16% більше, ніж у 2005р. У Японії встановлені потужності зросли на 296,5 МВт. У США встановлені потужності зросли на 139,5 МВт (+ 33%).
До 2005р. сумарні встановлені потужності досягли 5 Гвт. Інвестиції в 2005 році в будівництво нових заводів з виробництва фотоелементів склали 1 млрд. $.
Введення в дію нових потужностей в 2005р.: Німеччина - 57%; Японія - 20%; США - 7%; решта світу - 16%. Частка країн у сумарних встановлених потужностях (на 2004р.): Німеччина - 39%; Японія - 30%, США - 9%; решта світу - 22%.
Виробництво фотоелементів у світі зросла з 1656 МВт в 2005р. до 1982,4 МВт. в 2006р. Японія продовжує утримувати світове лідерство у виробництві - 44% світового ринку; в Європі виробляється 31%. США виробляють 7% від світового виробництва, хоча в 2000р. ця цифра доходила до 26%.
До 2010р. встановлена потужність установок на фотоелементах досягне 3,2-3,9 ГВт, а виручка виробників становитиме 18,6-23,1 млрд $ / рік.
Коли встановлені потужності фотоелементів в світі подвоюються, ціна електрики, виробленого сонячною енергетикою, падає на 20-30%.
Перетворення енергії Сонця в енергію хімічних зв'язків (технологія майбутнього)
Даний механізм придуманий самою природою і називається фотосинтезом.
Фотосинтез - процес утворення на світлі органічних речовин з неорганічних. Процес йде в хлоропластах.
«Якщо з хлоропластів рослин виділити мембрани, що містять фотосістему2, то на світлі відбувається фотоліз води - розкладання її на кисень і водень. Моделювання процесів фотосинтезу, що відбуваються в хлоропластах, дозволило б запасати енергію Сонця у коштовному паливі - водні ».
Переваги такого способу отримання енергії очевидні:
• наявність надлишку субстрату (води);
• нелімітіруемий джерело енергії - Сонце;
• продукт (водень) можна зберігати, не забруднюючи атмосферу;
• водень має високу теплотворну здатність (29 ккал / г) в порівнянні з вуглеводнями (3,5 ккал / г);
• процес йде при нормальній температурі без утворення токсичних проміжних продуктів;
• процес циклічний, так як при споживанні водню регенерується субстрат - воду.
Дана теорія є теорією майбутнього, і якщо їй судилося збутися, то людство назавжди забуде про брак енергії.
Висновок
Усе ще суперечлива сонячна енергетика тільки починає здобувати країни з ринковою економікою і держави, що розвиваються.
Дорожнеча технологій стримує цей процес.
Однак поступове здешевлення установок робить енергію сонця все більш привабливою.
Упевнений, успіх розвитку цієї галузі безпосередньо залежатиме від того, як швидко ми зможемо почати оперувати з енергією Сонця.
Використана література
1) www.ru / wikipedia.org / Сонячна енергія /;
2) www.3dnews.ru/editorial/sun_energy;
3) www.biotechnolog.ru.