Под солнечной крышей

Биотопливо

Биоэнергетика получает электричество и тепло из топлива первого, второго и третьего поколений.

Первое поколение – твёрдое, жидкое и газообразное биотопливо (газ от переработки отходов). Например, дрова, биодизель и метан.

Второе поколение – топливо, полученное из биомассы (остатков растительного или животного материала, или специально выращенных культур).

Третье поколение – биотопливо из водорослей.

Биотопливо первого поколения легко получить. Сельские жители ставят биогазовые установки, где биомасса бродит под нужной температурой.

Самый традиционный способ и древнейшее топливо – дрова. Сейчас для их производства сажают энергетические леса из быстрорастущих деревьев, тополя или эвкалипта.

Сферы использования солнечной энергии

За сравнительно короткий промежуток времени человечество смогло «приручить» поток светового излучения и начать применять его энергию в следующих сферах:

электроснабжения частных домохозяйств и промышленных объектов;
обогрева помещений любого размера и предназначения – от квартир и частных домов до сельскохозяйственных теплиц и животноводческих ферм;
нагрева воды и/или превращения ее в пар с целью последующего преобразования солнечной энергии в тепловую и механическую;
освещения домов, улиц, зеленых зон, СТО и прочих объектов, и территорий, особенно не имеющих возможности подключиться к электросетям;
космической промышленности, где фотоэлектрические батареи зачастую являются единственным доступным средством получения энергии.

Как мы впервые узнали о солнечной энергии?

Ян Ингенхауз, голландский физик, был первым, кто открыл фотосинтез в растениях. Он пришел к выводу, что растения имели хлорофилл, который поглощал солнечный свет и использовал эту световую энергию вместе с атмосферным СО 2 для приготовления сахара и воды. Это было в далеком 1730 году. Поскольку клетки человека не содержат хлорофилла, мы не можем сами готовить себе пищу.

В 1839 году французский ученый Эдмонд Беккерель (отец Анри Беккереля, первого человека, наблюдавшего радиоактивность) заметил, что некоторые материалы производят электричество при воздействии света. Его открытие было «реализовано» спустя почти 100 лет, когда Рассел Ол сделал первый солнечный элемент в 1941 году. Первоначально солнечный элемент имел очень низкую эффективность и не считался жизнеспособным источником выработки электроэнергии. В настоящее время наиболее эффективный солнечный модуль преобразует около 21,5% поступающей солнечной энергии в электричество.

Плюсы и минусы

К достоинствам солнечной энергетики относятся:

Экологическая безопасность установок;
Неисчерпаемость источника энергии в далекой перспективе;
Низкая себестоимость получаемой энергии;
Доступность производства энергии;
Хорошие перспективы развития отрасли, обусловленные развитием технологий и производством новых материалов с улучшенными характеристиками.

Недостатками являются:

Прямая зависимость количества вырабатываемой энергии от погодные условия, времени суток и времени года;
Сезонность работы, которую определяет географическое расположение;
Низкий КПД;
Высокая стоимость оборудования.

Производство и утилизация солнечных панелей

Производство солнечных панелей является энергоемким процессом. В настоящее время большая часть энергии, используемой для создания солнечных панелей, связана с переработкой ископаемого сырья, поэтому даже производство этих экологически полезных продуктов может способствовать загрязнению и глобальному потеплению.

Приблизительно 600 кВтч энергии используется для производства каждого квадратного метра солнечных батарей, чего достаточно для освещения 1000 лампочек мощностью 60 Вт в течение десяти часов. Средняя энергосистема использует около двух или трех панелей, каждая из которых имеет площадь около 2 м2. При установке в выгодном месте солнечная панель может производить до 200 кВтч на квадратный метр электроэнергии в год. Поэтому энергия, используемая в процессе производства панели, компенсируется только через несколько лет эксплуатации.

Исходным материалом для изготовления солнечных батарей служит трихлорсилан, ядовитый и взрывоопасный продукт. При его перегонке и восстановлении при помощи водорода, получают чистый кремний. Побочным продуктом, на этом этапе производства, является соляная кислота. Далее, кремний плавят и получают слитки, из которых делают элементы солнечных батарей.

Для производства солнечных панелей требуется использование многих опасных химических веществ. Яды, такие как мышьяк, хром и ртуть, также являются побочными продуктами производственного процесса. Эти химические вещества могут нанести серьезный ущерб окружающей среде, если их правильно не утилизировать.

Утилизация вредных элементов солнечных панелей должна сопровождаться специалистами по переработке

При соблюдении технологий улавливания и очистки токсичных газов и жидкостей, производство не будет вредным, но часто, особенно в развивающихся странах, такое оборудование не устанавливается на предприятиях, что приводит к загрязнению окружающей среды.

Энергия, используемая в производстве солнечных панелей, не является единственной энергетической затратой. Необходимо также учитывать энергию, используемую для их транспортировки, особенно если панели импортируются из другой части мира. Утилизация солнечных батарей — большая проблема. Многие из материалов, используемых для их изготовления, трудно перерабатывать, а сам процесс рециркуляции требует большого количества энергии.

Солнечные коллекторы и водонагреватели

Для получения тепловой энергии от Солнца применяются солнечные водонагреватели. Трубчатые вакуумные коллекторы, входящие в состав систем нагрева воды, имеют КПД 60-70%, что примерно в 4 раза превышает КПД солнечных батарей. Кроме того, самые простые модели солнечных водонагревателей представляют из себя моноблок и достаточно дёшевы.

По этим причинам, использование солнечных водонагревателей позволяет значительно сэкономить на оплате тепловой энергии уже сейчас и типичный срок их полной окупаемости составляет около 5 лет.

Надеемся, приведенная информация поможет Вам сделать выбор!

Технология изготовления

Вначале следует спаять фотоэлементы между собой. Если вы купили элементы с металлическими выступами, то тогда можно просто спаять ушки батарей между собой. Делать это нужно очень внимательно и аккуратно. После пайки соединенные компоненты необходимо приклеить к подложке в верхней части панели. Это лучше сделать при помощи специального силиконового клея, который никак не препятствует проникновению солнечных лучей. Кроме того, он способствует нормальному теплообмену. Однако, не переусердствуйте с клеем, так как это может привести к повреждению батарей. Клеить нужно только центр клеток. Далее все элементы нужно соединить с проводом, который подается в одной из заранее предусмотренных вентиляционных отверстий. Для закрепления провода к солнечным элементам лучше использовать силиконовую замазку. Интересное: Солнечная панель своими руками.

На следующем этапе поверх панелей устанавливается оргстекло. Однако, до этого следует подключить диод Шоттки от чувствительных теплопроводящих компонентов. Этот диод послужит блокирующим устройством, которое защитит фотоэлементы при перепадах напряжения. Кроме того, диод Шоттки будет отключать питание системы при маленькой мощности электросети. Так аккумуляторы, заряжаемые от солнца, не будут разряжаться при прекращении питания. Когда диод будет подключен, можно ставить оргстекло и закреплять его винтами. Технология изготовления солнечных панелей является достаточно простой и понятной

Единственное, важно правильно соблюдать последовательность соединения, иначе вся система не будет работать

https://youtube.com/watch?v=3apKOZn-_B4

Как работает солнечная батарея

Принцип работы солнечной батареи основан на наличии полупроводника в виде двух пластин, соединенных друг с другом. Каждая пластина изготавливается из кремния с использованием дополнительных примесей. Благодаря этому пластины обладают своими уникальными свойствами. Первая из них имеет избыток валентных электронов, а вторая имеет недостаток этих электронов. Эти полупроводники получили название n и p. Если эти полупроводники соединить в единое целое, то можно получить PN-переход в месте контакта между ними. В то время, когда на батарею попадают прямые солнечные лучи, на обеих сторонах этого перехода начинают накапливаться положительные и отрицательные плавающие нагрузки. В результате генерируется напряжение и возникает магнитное поле. Если подсоединить к такому элементу провод, по нему потечет электричество.

Как подключить солнечную батарею

Как только вы изготовите солнечную панель, можно начинать заниматься ее подключением. Можно не подключать ее напрямую к сети, чтобы избежать потерь электроэнергии. То есть, желательно установить автономную систему с аккумуляторами. Они будут заряжаться от солнечных батарей каждый день и быстро разряжаться. При этом, глубина разрядки может быть довольно существенной. Поэтому, аккумуляторы могут быстро выйти из строя. Для того, чтобы этого не произошло, лучше оставить подключение к сети через гибридный батарейный инвертор. Это устройство будет отдавать фотоэлементам приоритет при распределении нагрузки. Инвертор не будет отдавать излишки электроэнергии в сеть, а будет передавать ее на аккумуляторы. Такой вариант является одним из наиболее оптимальных. Эта система состоит из гибридного инвертора, контроллера заряда солнечных панелей и аккумуляторов. Такой механизм сможет работать не только как основная, но и как резервная система электропитания.

Как поднять батареи в космос?

Если не считать высокой стоимости солнечных батарей, главная помеха для развития этой энергетики — земная атмосфера. То небо совсем не вовремя затягивается облаками, то дым от соседнего завода закрывает Солнце. Да и при совершенно ясном небе свет, проходя через атмосферу, теряет некоторую часть своей энергии. Если бы человечеству удалось построить электростанцию в космосе, то вполне можно было бы обойтись батареей площадью порядка 10 000 км2 .

Но тут опять перед нами встают два вопроса. Во-первых, как туда эти батареи поднять, и, во-вторых, как доставить полученное электричество на Землю. Не тянуть же к ним ЛЭП длиной 35 786 км (именно на такой высоте должна летать электростанция для того, чтобы ее положение на небе оставалось неизменным).

Недостатки использования солнечной энергии

Неравномерное распределение энергии Солнца по поверхности планеты. Одни области более солнечные, чем другие;
В пасмурные дни и ночью солнечная энергия недоступна;
Необходимость использования больших площадей под солнечные источники энергии;
Содержание токсичных веществ в фотоэлементах;
Низкий КПД солнечных батарей, среднее значение эффективности не превышает 20%;
Высокая стоимость солнечных фотоэлементов;
Поверхность солнечных панелей и зеркал (для термовоздушных ЭС) нужно очищать от попадающих загрязнений;
При нагреве солнечных элементов, значительно падает эффективность их работы;
Сложная утилизация солнечных панелей.

Несмотря на имеющиеся недостатки, солнечная энергетика является самой быстрорастущей альтернативной энергетической отраслью, она составляет лишь 1% энергии, используемой сегодня. Но, по оценкам Международного энергетического агентства, солнечная энергия может обеспечить 20-25% глобальной энергии к 2050 году.

Вред экологии

Несмотря на экологическую безвредность применения солнечных батарей, их производство и утилизация может навредить окружающей среде и здоровью людей. Солнечные панели содержат металлы, такие как свинец, медь, галлий и кадмий, синтетические материалы. Их основа изготавливается из алюминия. Все это требует грамотной утилизации. Также, размещенные на больших площадях, они могут влиять на климат, нарушая естественный температурный режим.

Само производство фотоэлементов и панелей является химически грязным. Стоки и отработанные газы пагубно влияют на экологию. Земля, вода и воздух могут содержать вредные вещества, что является угрозой для всего живого вокруг этих предприятий.

Так стоит ли причислять солнечные панели к предметам причиняющим вред экологии?

Количество солнечных электростанций растет. Если технологии не будут развиваться в сторону наименьшего причинения вреда планете и людям, человечество ждет еще одна рукотворная экологическая проблема.

Перспективы развития солнечной энергетики

Сегодня технологии, в которых используется энергия солнечного света, находят все более широкое применение. Самые распространенные – это солнечные батареи. Фотоэлектрические элементы успешно устанавливаются на различные виды транспорта – начиная от электромобилей и заканчивая самолетами. Японцы практикуют установку их на поезда.

Успешно функционируя, одна из европейских гелиоэлектростанций обеспечивает все потребности Ватикана. Крупнейшая станция в Калифорнии, источником для которой является солнечная энергия (фото дают представления о масштабах), уже сейчас обеспечивает штат своей круглосуточной работой.

Внедрение таких технологий сталкивается с сопротивлением со стороны лидеров углеводородной отрасли – ведь альтернативные источники в энергетике могут в скором времени вытеснить их представителей с лидирующих позиций.

Если говорить о прямом преобразовании, то наибольшее распространение получили такие устройства преобразования солнечной энергии как тепловые трубы (солнечные коллекторы) и батареи солнечных фотоэлементов.

Воздействие солнечной энергии на окружающую среду

Не все солнечные панели обеспечивают одинаковые экологические преимущества. Их воздействие на окружающую среду на протяжении их жизненного цикла зависит от того, как они производятся, а также от того, как долго они могут использоваться.

Например, некоторые исследования показали, что основные кремниевые солнечные панели китайского производства имеют более чем в два раза больший углеродный след, чем панели, произведенные в Европе, и требуют на 30 процентов больше времени, чтобы компенсировать энергию, используемую для их изготовления — и это без учета влияние транспортных расходов.

Солнечные батареи

Что такое солнечная батарея? Давайте разбираться. Она состоит из модулей, которые принимают и преобразуют энергию солнца, в том числе тепловую. Батареи генерируют электрическую энергию постоянно либо аккумулируют ее для дальнейшего использования.Чаще всего используют солнечные батареи с помощью аккумуляторов – химических источников тока. Первое их применение зафиксировано в космическом спутнике.

Материалы

Для производства большинства батарей используют кремний, который стоит недешево. Потому первичная покупка влетит вам в копеечку, что впрочем, окупится за несколько лет. У солнечных батарей множество достоинств. Это простота конструкции батарей, легкость в установке, нетребовательность в обслуживании, долгая эксплуатация, эргономичность. Работают они от аккумуляторов. Главное, о чем не стоит забывать: они должны работать на открытых участках, не затемненных деревьями или зданиями. Также не рекомендуют забывать об очищении батарей от пыли и прочих загрязнений. При правильной эксплуатации солнечных батарей, они прослужат вам верой и правдой не один десяток лет. Энергию они вырабатывают как в течение светового дня, так и при пасмурных погодных условиях. Последнее время цена батарей неуклонно падает, что говорит про перспективы их использования.

Преобразование солнечной энергии в топливо и химическую энергию

Вещества, такие как вода и углекислый газ, используют солнечной энергии для формирования солнечного топлива. Солнечная энергия может быть преобразована в химическую энергию путем фотосинтеза, солнечная энергия также используется для преобразования углекислого газа и воды в топливо. Рассмотрим оксид церия, который представляет собой соединение металлического церия с кислородом. при воздействии высоких температур атомы кислорода теряются в оксиде церия, а при более низкой температуре материал вновь приобретает атомы кислорода.. Вода превращается в водород, а углекислый газ в монооксид углерода, в этом процессе церий повторно окисляется и производит топливо.

Автономная электростанция

При сроке полной окупаемости оборудования 20 лет, «стоимость электроэнергии» от автономной солнечной электростанции составит от 8 до 20 рублей за кВт*час в зависимости от комплектации системы и региона эксплуатации (если разделить стоимость оборудования на кол-во энергии, которое будет выработано за 20 лет). То есть, при текущей цене электроэнергии 4 руб./кВт*час, речи об экономии также не идет.

Этот тип электростанции используется там, где нет подключения к сети и если сравнивать её с бензо- или дизель-генератором, то применение автономной солнечной электростанции выгоднее примерно в 2 раза. Кроме того, она абсолютно бесшумна и не требует постоянного подвоза топлива, заправки и частого техобслуживания.

СБ для холодильника 116290 руб.
Автономная СЭС для дома 438670 руб.
Солнечный водонагреватель 38500 руб.

При этом нужно отметить, что в широтах России зимой получать электроэнергию только от Солнца очень дорого по причине малого количества солнечных дней. Поэтому, при необходимости круглогодичной эксплуатации, система обязательно дополняется бензогенератором, который периодически используется при длительном отсутствии Солнца.