В последние годы ученых особенно интересуют альтернативные источники энергии. Нефть и газ рано или поздно закончатся, поэтому подумать о том, как мы будем выживать в этой ситуации, приходится уже сейчас. В Европе активно используются ветряки, кто-то пытается извлечь энергию из океана, а мы поговорим о солнечной энергии. Ведь звезда, которую мы практически каждый день видим в небе, может помочь нам сберечь и улучшить экологическую обстановку. Значение солнца для Земли трудно переоценить - оно дает тепло, свет и позволяет функционировать всему живому на планете. Так почему бы не найти ему еще одно применение?

Немного истории

В середине 19 века физик Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект. А к концу столетия Чарльз Фриттс создал первый прибор, способный перерабатывать солнечную энергию в электричество. Для этого использовался селен, покрытый тонким слоем золота. Эффект был слабым, но именно это изобретение зачастую связывают с началом эры солнечной энергии. Некоторые ученые не согласны с такой формулировкой. Они называют родоначальником эры солнечной энергии всемирно известного ученого Альберта Эйнштейна. В 1921 году он получил Нобелевскую премию за объяснение законов внешнего фотоэффекта.

Казалось бы, солнечная энергия - это перспективный путь развития. Но существует немало препятствий для того, чтобы она вошла в каждый дом - в основном, экономических и экологических. Из чего складывается стоимость солнечных батарей, какой вред они могут нанести окружающей среде и какие еще существуют способы получения энергии, узнаем ниже.

Способы накопления

Самой актуальной задачей, связанной с приручением энергии солнца, является не только ее получение, но и аккумуляция. И именно это является самым сложным. В настоящее время учеными было разработано только 3 способа полноценного приручения солнечной энергии.

Первый основан на использовании параболического зеркала и немного напоминает игру с лупой, которая всем знакома с детства. Сквозь линзу свет проходит, собираясь в одной точке. Если в этом месте положить кусочек бумаги, она загорится, поскольку температура скрещенных солнечных лучей невероятно высока. Параболическое зеркало представляет собой вогнутый диск, напоминающий неглубокую чашу. Это зеркало, в отличие от лупы, не пропускает, а отражает солнечный свет, собирая его в одной точке, которая обычно направлена на черную трубу с водой. Такой цвет используют потому, что он лучше всего поглощает свет. Вода в трубе под действие солнечных лучей нагревается и может использоваться для получения электричества или для отопления небольших домов.

Плоский нагреватель

В этом способе используется совсем другая система. Приемник солнечной энергии выглядит как многослойная конструкция. Принцип его работы выглядит так.

Проходя через стекло, лучи попадают на затемненный металл, который, как известно, лучше поглощает свет. Солнечная радиация превращается в и нагревает воду, которая находится под железной пластиной. Далее все происходит как в первом способе. Нагретую воду можно использовали либо для отопления помещений, либо для получения электрической энергии. Правда, эффективность такого метода не настолько высока, чтобы использовать его повсеместно.

Как правило, полученная таким образом солнечная энергия - это тепло. Для получения электричества гораздо чаще используют третий способ.

Солнечные элементы

Больше всего мы знакомы именно с таким способом получения энергии. Он подразумевает использование различных батарей или солнечных панелей, которые можно встретить на крышах многих современных домов. Такой способ сложнее ранее описанных, но является намного более перспективным. Именно он дает возможность солнца в электричество в промышленных масштабах.

Специальные панели, предназначенные для улавливания лучей, делают из обогащенных кристаллов кремния. Солнечный свет, попадая на них, сбивает электрон с орбиты. На его место тут же стремится другой, таким образом получается непрерывная подвижная цепочка, которая и создает ток. Он при необходимости сразу используется для обеспечения приборов или накапливается в виде электроэнергии в специальных аккумуляторах.

Популярность этого способа обоснована тем, что он позволяет получить более 120 Вт всего с одного квадратного метра солнечной батареи. При этом панели имеют сравнительно небольшую толщину, что позволяет размещать их практически везде.

Типы кремниевых панелей

Существует несколько видов солнечных батарей. Первые выполнены с использованием монокристаллического кремния. Их коэффициент полезного действия составляет примерно 15%. Такие являются наиболее дорогими.

КПД элементов, изготовленных из поликристаллического кремния, достигает 11%. Стоят они меньше, поскольку материал для них получают по упрощенной технологии. Третий тип является наиболее экономичным и отличается минимальным КПД. Это панели из аморфного кремния, то есть некристаллического. Кроме низкой эффективности, они имеют еще один существенный недостаток - недолговечность.

Некоторые производители для увеличения КПД задействуют обе стороны панели солнечной батареи - тыльную и фронтальную. Это позволяет улавливать свет в больших объемах и увеличивает количество получаемой энергии на 15-20%.

Отечественные производители

Солнечная энергия на Земле получает все большее распространение. Даже в нашей стране заинтересованы в изучении этой отрасли. Несмотря на то что в России не очень активно идет развитие альтернативной энергетики, определенных успехов удалось добиться. В настоящее время созданием панелей для получения солнечной энергии занимаются несколько организаций - в основном это научные институты различной направленности и заводы по производству электрооборудования.

1. НПФ "Кварк".
2. ОАО «Ковровский механический завод».
3. Всероссийский НИИ электрификации сельского хозяйства.
4. НПО машиностроения.
5. АО ВИЭН.
6. ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов».
7. АООТ Правдинский опытный завод источников тока «Позит».

Это только небольшая часть предприятий, принимающих активное участие в развитии альтернативной

Влияние на окружающую среду

Отказ от угольных и нефтяных источников энергии связан не только с тем, что эти ресурсы рано или поздно закончатся. Дело в том, что они сильно вредят окружающей среде - загрязняют почву, воздух и воду, способствуют развитию заболеваний у людей и снижению иммунитета. Именно поэтому альтернативные источники энергии должны быть безопасны с экологической точки зрения.

Кремний, который используется для производства фотоэлементов, сам по себе безопасен, поскольку является природным материалом. Но после его очистки остаются отходы. Именно они могут нанести вред человеку и окружающей среде при неправильном использовании.

Кроме того, на участке, полностью заставленном солнечными батареями, может нарушиться естественное освещение. Это приведет к изменениям в существующей экосистеме. Но в целом влияние на окружающую среду устройств, предназначенных для преобразования солнечной энергии, минимально.

Экономичность

Самые большие затраты по связаны с дороговизной сырья. Как мы уже выяснили, специальные панели создаются с использованием кремния. Несмотря на то что этот минерал широко распространен в природе, с его добычей связаны большие проблемы. Дело в том, что кремний, который составляет более четверти массы земной коры, не подходит для производства солнечных батарей. Для этих целей пригоден только чистейший материал, получаемый промышленным способом. К сожалению, из песка получить чистейший кремний крайне проблематично.

По цене данный ресурс сравним с ураном, использующимся на АЭС. Именно поэтому стоимость солнечных батарей в настоящее время остается на довольно высоком уровне.

Современные технологии

Первые попытки приручить солнечную энергию появились достаточно давно. С тех пор многие ученые активно заняты поисками максимально эффективного оборудования. Оно должно быть не только экономически выгодным, но также компактным. Его КПД должен стремиться к максимуму.

Первые шаги к идеальному прибору для получения и преобразования солнечной энергии были сделаны с изобретением кремниевых батарей. Конечно, цена достаточно высока, но зато панели могут быть размещены на крышах и стенах домов, где они никому не будут мешать. А эффективность таких батарей неоспорима.

Но лучший способ увеличить популярность солнечной энергии - сделать ее более дешевой. Немецкие ученые уже предложили заменить кремний синтетическими волокнами, которые могут быть интегрированы в ткань или другие материалы. КПД такой солнечной батареи не очень высок. Но рубашка с вкраплением синтетических волокон сможет, по крайней мере, обеспечить электроэнергией смартфон или плеер. Активно ведутся работы и в области нанотехнологий. Вероятно, именно они позволят солнцу стать наиболее популярным источником энергии уже в этом столетии. Специалисты компании Scates AS из Норвегии уже заявили, что нанотехнологии позволят сократить стоимость солнечных панелей в 2 раза.

Солнечная энергия для дома

О жилье, которое само себя будет обеспечивать, наверняка мечтают многие: нет зависимости от централизованного отопления, сложностей с оплатой счетов и вреда для окружающей среды. Уже сейчас во многих странах активно строится жилье, потребляющее только энергию, полученную из альтернативных источников. Яркий пример - так называемый солнечный дом.

В процессе строительства он потребует больших вложений, чем традиционный. Но зато после нескольких лет эксплуатации все затраты окупятся - не придется платить за отопление, горячую воду и электричество. В солнечном доме все эти коммуникации привязаны к специальным фотоэлектрическим панелям, размещенным на крыше. Причем полученные таким образом энергетические ресурсы не только расходуются на текущие нужды, но и накапливаются для использования в ночное время и при пасмурной погоде.

В настоящее время строительство таких домов ведется не только в странах, приближенных к экватору, где добывать солнечную энергию проще всего. Их возводят также и в Канаде, Финляндии и Швеции.

Плюсы и минусы

Развитие технологий, позволяющих повсеместно использовать солнечную энергию, могло бы вестись более активно. Но существую определенные причины, по которым это все еще не является приоритетной задачей. Как мы уже говорили выше, при производстве панелей вырабатываются вредные для окружающей среды вещества. Кроме того, готовое оборудование содержит в своем составе галлий, мышьяк, кадмий и свинец.

Немало вопросов вызывает и необходимость утилизации фотоэлектрических панелей. Через 50 лет работы они станут непригодными для службы, и их придется каким-то образом уничтожать. Не нанесет ли это колоссальный вред природе? Стоит также учитывать, что солнечная энергия - это непостоянный ресурс, эффективность получения которого зависит от времени суток и погоды. А это является существенным недостатком.

Но и плюсы, конечно, есть. Солнечную энергию можно добывать практически в любой точке Земли, а оборудование для ее получения и преобразования может быть настолько маленьким, что поместится на тыльной стороне смартфона. Что еще немаловажно, это возобновляемый ресурс, то есть количество солнечной энергии будет оставаться неизменным еще как минимум тысячи лет.

Перспективы

Развитие технологий в области солнечной энергетики должно привести к снижению затрат на создание элементов. Уже сейчас появляются стеклянные панели, которые могут быть установлены на окнах. Развитие нанотехнологий позволило изобрести краску, которая будет напыляться на солнечные батареи и сможет заменить кремниевый слой. Если стоимость солнечной энергии действительно снизится в несколько раз, ее популярность также вырастет многократно.

Создание маленьких панелей для индивидуального применения позволит людям в любых условиях использовать солнечную энергию - дома, в машине или даже за городом. Благодаря их распространению снизится нагрузка на централизованные электросети, поскольку люди смогут самостоятельно зарядить мелкую электронику.

Специалисты компании Shell полагают, что к 2040 году около половины энергии в мире будет создаваться за счет возобновляемых ресурсов. Уже сейчас в Германии потребление солнечной энергии активно растет, а мощность батарей составляет более 35 Гигаватт. Япония также активно развивает эту отрасль. Две эти страны - лидеры потребления солнечной энергии в мире. Вероятно, скоро к ним присоединятся и Соединенные Штаты.

Другие альтернативные источники энергии

Ученые не перестают ломать голову над тем, что еще можно использовать для получения электричества или тепла. Приведем примеры наиболее перспективных альтернативных источников энергии.

Ветряки сейчас можно встретить практически в любой стране. Даже на улицах многих российских городов устанавливают фонари, которые сами обеспечивают себя электричеством за счет энергии ветра. Наверняка их себестоимость выше средней, но зато со временем они эту разницу возместят.

Достаточно давно была придумана технология, позволяющая получать энергию, используя разницу температур воды на поверхности океана и на глубине. Китай активно собирается развивать это направление. В ближайшие годы у берегов Поднебесной собираются построить крупнейшую электростанцию, работающую по этой технологии. Существуют и другие способы использования моря. Например, в Австралии планируют создать электростанцию, генерирующую энергию из силы течений.

Есть и многие другие или тепла. Но на фоне многих других вариантов солнечная энергия - это действительно перспективное направление развития науки.

Солнечная энергия, как альтернативный источник энергии, используется уже тысячи лет. Единственное, что меняется — технологии и эффективность применяемых устройств. Энергия солнца относится к возобновляемым источникам, что означает ее способность восстанавливаться естественным путем, без человеческого участия. К преимуществам стоит отнести экологическую чистоту, неограниченные возможности, безопасность и уникальную эффективность использования.

Доказано, что 1м 2 «огненного диска» выделяет почти 63 кВт энергии, что в эквиваленте соответствует мощности миллиона электрических лампочек. В целом Солнце обеспечивает Землю 80 000 млрд. кВ, а это в несколько раз превышает мощность всех существующих на планете электростанций. Вот почему применение солнечной энергии на практике является одной из главных задач для современного общества.

Особенности преобразования

Недоработкой современной науки является неспособность прямого потребления энергии солнца. По этой причине разработаны специальные приборы, обеспечивающие преобразование солнечной энергии в электрическую или тепловую. В первом упоминании речь идет о батареях , а во втором — о коллекторах .

Сегодня разработано несколько вариантов преобразования:

• Термовоздушная энергетика . В ее основе лежит использование энергии солнца для получения потока воздуха, направляемого в турбогенератор. Популярность получают электростанции аэростатного типа, в которых генерируется водяной пар, благодаря нагреву аэростатной поверхности со специальным покрытием. Преимущество методики заключается в способности накапливать необходимый объем пара для обеспечения работы системы даже в темное время суток, при отсутствии солнечного света.
• Фотовольтаика . Особенность методики заключается в применении специальных панелей, имеющих фотоэлектрическую базу. Представители — солнечные батареи. В основе изделий лежит кремний, а толщина рабочей поверхности равна нескольким десятым миллиметра. Размещать конструкции можно в любом месте. Главным условием является максимальное поступление лучей.

Кроме фотопластин, для преобразования солнечной энергии могут использоваться тонкопленочные панели, обладающие меньшей толщиной. Их главным недостатком является небольшая эффективность.

• Гелиотремальная энергетика — направление, суть которого заключается в поглощении света поверхностью с последующим фокусированием тепла для нагрева. В бытовой сфере этот вид превращения солнечной энергии используется для прогрева. В промышленности эта методика применяется для получения электричества с помощью тепловых машин.

Как может использоваться солнечная энергия?

Использование солнечной энергии возможно с применением двух типов систем — пассивных и активных. Рассмотрим их подробнее.

Пассивные — системы, в которых не предусмотрено каких-либо сложных преобразований. Одним из примеров является металлическая емкость, которая окрашена в черный цвет и наполненная водой. Лучи солнца попадают на поверхность, нагревают металл, а вместе с ним и жидкость внутри. Существуют и более продвинутые способы пассивного использования энергии, предназначенные для проектирования сооружений, выбора стройматериалов, учета климата и решения других задач. Чаще всего пассивные системы применяются для охлаждения, обогрева или освещения зданий.

Активные — устройства, в которых для превращения солнечной энергии применяются специальные коллекторы. Особенность последних заключается в поглощении лучей солнца и их последующее преобразование в тепло, которое с помощью теплоносителя обеспечивает обогрев зданий или воды. Сегодня солнечные коллекторы применяются во многих сферах деятельности — сельском хозяйстве, бытовом и прочих секторах, где требуется тепло.

​

Принцип действия солнечного коллектора легко проверить на практике — достаточно положить на подоконник какой-либо предмет и убедиться, что на него попадают лучи солнца. Изделие нагревается даже при минусовой температуре на улице. В этом и заключается особенность использования солнечной энергии с помощью коллектора.

В основе устройства лежит теплоизолированная пластина, которая изготавливается с использованием теплопроводящего материала. Сверху она покрывается темной краской. Лучи солнца проходят через промежуточный элемент, нагревают пластинку, а после накопленная тепловая энергия применяется для нагрева здания. Направление теплого потока возможно с помощью вентилятора или естественным путем.

Недостаток системы заключается в необходимости дополнительных затрат на покупку и установку вентилятора. Кроме того, солнечные коллекторы эффективны только световой день, поэтому полностью заменить основной источник обогрева не получится. Для повышения КПД устройства необходимо устанавливать коллектор в главный источник вентиляции или тепла.

Такие коллекторы бывают двух типов:

1. Плоскими. Такие устройства состоят из поглотителей солнечной энергии, покрытия (используется стекло с низким содержанием металлических частиц), термоизолирующего слоя и трубопровода. Коллектор улавливает солнечные лучи и выдает тепловую энергию. Место для монтажа — крыша. При этом батарея может быть встроена в поверхность или иметь вид отдельного элемента.
2. Вакуумными. Особенность солнечных коллекторов заключается в универсальности и возможности применения в течение всего года. В основе лежат вакуумные трубки, состоящие из боросиликатного стекла. На внутренней части стенки нанесено специальное покрытие, улучшающее восприятие солнечного света. Целью такой конструкции является минимальное отражение лучей. Для большей эффективности в промежутках между трубками присутствует вакуум, который поддерживается газораспределителем бариевого типа. Преимущество вакуумных коллекторов в том, что они могут работать на морозе и при облачной погоде. В последнем случае они поглощают энергию ИК лучей.

Наибольшим спросом в промышленности и быту пользуются солнечные батареи, которые преобразуют энергию солнца в тепло. В основе таких устройств лежат фитоэлектрические преобразователи.

Преимущества — простота конструкции, удобство монтажа, минимальные требования к обслуживанию, а также повышенный ресурс. Для установки солнечной батареи не нужно дополнительного места. Главным условием нормальной работы является открытость свету и отсутствие затенения. Ресурс исчисляется десятилетиями, что и объясняет подобную популярность изделий.

Батареи, использующие энергию солнца, имеют и ряд недостатков:

• Повышенная чувствительность к загрязнению. По этой причине батареи устанавливают под углом 45 градусов, чтобы снег и дождь помогали очищать поверхность.
• Недопустимость чрезмерного нагрева. Если температура достигает 100-125 градусов Цельсия, возможно отключение устройства из-за повышения допустимой температуры. В такой ситуации потребуется специальная система охлаждения.
• Высокая стоимость. Этот недостаток нельзя назвать полноценным, ведь солнечная батарея имеет большой срок службы, а затраты на ее покупку и установку окупаются в течение нескольких лет.

Итоги

Современное общество знает, где используется солнечная энергия, и активно применяет накопленный опыт на практике. Возможности «огненного диска» необходимы для получения электрической энергии, обогрева и охлаждения помещений, а также обеспечения вентиляции. С ростом стоимости нефти и газа наблюдается постепенный переход на альтернативные и более доступные источники. Например, в Германии почти половина домов оборудовано солнечными коллекторами для нагрева воды. Во многих государствах работают специальные программы, направленные на использование энергии солнца. И данная тенденция с каждым годом только набирает обороты.

О солнечной энергетике и перспективах ее развития ведутся споры и дискуссии уже много лет. Большинство считают солнечную энергетику – энергетикой будущего, надеждой всего человечества. Серьезные инвестиции вкладывает в строительство солнечных электростанций большое количество компаний. Солнечную энергетику стремятся развивать во многих странах мирах, считая ее главной альтернативой традиционным энергоносителям. Германия, являясь далеко не солнечной страной, стала мировым лидеров в этой сфере. Совокупная мощность СЭС Германии растет год от года. Серьезно занимаются разработками в области энергии солнца и в Китае. Согласно оптимистичному прогнозу International Energy Agency, солнечные электростанции к 2050 году смогут производить до 20-25% мировой электроэнергии.
Альтернативный взгляд на перспективы солнечных электростанций базируется на том, что затраты, которые требуются для изготовления солнечных батарей и аккумуляторных систем, в разы превышают прибыль от производимой солнечными электростанциями электроэнергии. Противники этой позиции уверяют, что все как раз наоборот. Современные солнечные батареи способны работать без новых капиталовложений десятки и даже сотни лет, произведенная ими суммарная энергия равна бесконечности. Вот почему в долгосрочной перспективе электроэнергия, полученная с использованием энергии солнца, станет не просто рентабельной, а сверхприбыльной.
Где же истина? Попробуем разобраться в этом вместе с вами, уважаемые читатели. Мы рассмотрим современные подходы в сфере солнечной энергетики и некоторые гениальнейшие идеи, которые на сегодняшний день уже реализованы. Мы попробуем установить КПД солнечных батарей, функционирующих в настоящее время, понять, почему сегодня этот КПД является довольно низким.

Эффективность солнечных батарей в России
Согласно современным исследованиям, солнечная энергия составляет порядка 1367 Ватт на 1 кв.м (солнечная постоянная). На экваторе через атмосферу до земли доходит лишь 1020 Ватт. На территории России с помощью солнечных электростанций (при условии, что КПД солнечных элементов составляет сегодня 16%) в среднем можно получить 163,2 Ватта на квадратный метр.
В с учетом погодных условий, длительности дня и ночи, а также, типа установки солнечных батарей (КПД солнечной батареи не учитывается).
Если в Москве установить квадратный километр солнечных батарей под углом в 40 градусов (что для Москвы оптимально), то годовой объем выработанной электроэнергии составит 1173*0.16 = 187.6 ГВт*ч. При цене на электроэнергию в 3 рубля за кВт/ч, условная стоимость сгенерированной электроэнергии – 561 млн. рублей.

Наиболее распространенные способы генерации электроэнергии с помощью солнца:

Солнечные тепло-электространции
Громадные зеркала таких солнечных электростанций, поворачиваясь, ловят солнце и отражают его на коллектор. Принцип функционирования таких электрогенерирующих станций основан на преобразовании тепловой энергии солнца в механическую электроэнергию термодинамической машины либо с помощью газопоршневого двигателя Стирлинга, либо с помощью нагрева воды и т.п.

В качестве примера рассмотрим электростанцию Ivanpah (мощность 392 мегаватт), в которую вложил свои средства всемогущий Google. В строительство солнечной электростанции, расположенной в калифорнийской пустыне Мохаве, вложено более двух миллиардов долларов США. На 1 кВт установленной мощности СЭС затрачено 5612 долларов. Многие полагают, что эти затраты, хотя и превышают затраты на сооружение угольных электростанций, гораздо ниже, чем затраты на строительство АЭС. Но так ли это? Во первых, на атомной электростанции, на 1 кВт ее установленной мощности расходуется от 2000 до 4000 долларов, что дешевле, чем затраты, которые пошли на строительство Ivanpah. Во вторых, годовая выработка электроэнергии солнечной электростанции – 1079 ГВт*ч, следовательно, ее среднегодовая мощность 123.1МВт. К тому же, солнечная электростанция станция способна генерировать энергию солнца только в дневные часы. Таким образом, «усредненная» стоимость строительства СЭС доходит до 17870 долларов за 1 кВт, а это довольно значительная цена. Пожалуй, дороже обошлась бы разве что выработка электричества в открытом космосе. Затраты на строительство привычных электростанций, работающих, например, на газе, в 20-40 раз ниже. При этом, в отличие от солнечных электростанций, эти электростанции могут функционировать постоянно, производя электроэнергию тогда, когда в ней есть потребность, а не только в те часы, когда светит солнце.
Но мы знаем, что современные солнечные теплоэлектростанции способны генерировать электроэнергию круглосуточно, используя для этого большой объем нагреваемого в течение всего светового дня теплоносителя. Только стоимость строительства этих станций стараются не слишком афишировать, вероятно, потому, что она является значительной. А если в стоимость проектирования и строительства солнечных электростанций включить аккумуляторы, тем более, строительство гидроаккумулирующих электростанций, то сумма возрастет до фантастических размеров.

Кремниевые солнечные батареи
Сегодня для функционирования СЭС применяются полупроводниковые фотоэлементы, которые представляют собой полупроводниковые диоды большой площади. Влетающий в pn-переход световой квант, генерирует пару электрон-дырка, при этом, на выходах фотодиода создается перепад напряжения (порядка 0,5В).
КПД кремниевой солнечной батареи - порядка 16 %. Почему же КПД столь низок? Для того чтобы сформировать электронно-дырочную пару, требуется определенная энергия. Если прилетевший световой квант обладает малой энергией, то генерации пары не произойдет. В этом случае квант света просто пройдет сквозь кремний, как сквозь обыкновенное стекло. Вот почему кремний является прозрачным для инфракрасного света далее 1.2 мкм. Если же световой квант прилетит с большей энергией, чем требуется для генерации (зеленый свет), пара образуется, но избыток энергии просто уйдет в никуда. При синем и ультрафиолетовом свете (энергия которого является очень высокой), квант может не успеть долететь до самых глубин p-n перехода.

Для того чтобы солнечный свет не отражался от поверхности солнечной батареи, на нее наносится специальное противоотражающее покрытие (такое покрытие наносят и на линзы фотообъективов). Текстуру поверхности делают неровной (в виде гребенки). В этом случае световой поток, отразившись от поверхности один раз, возвращается вновь.
КПД фотоэлементов увеличивают, комбинируя между собой фотоэлементы, на основе различных полупроводников и с разной энергией, необходимой для генерации пары электрон-дырка. Для трехступенчатых кремниевых фотоэлементов достигается КПД в 44% и даже выше. Принцип работы трехступенчатого фотоэлемента основан на том, что сначала ставится фотоэлемент, который эффективно поглощает именно синий свет, а красный и зеленый, пропускает. Второй фотоэлемент поглощает зеленый, третий – ИК. Однако трехступенчатые фотоэлементы сегодня очень дороги, поэтому, повсеместно используются более дешевые одноступенчатые фотоэлементы, которые за счет цены опережают трехступенчатые по показателю Ватт/$.
Гигантскими темпами развивает производство кремниевых фотоэлементов Китай, за счет чего стоимость одного ватта снижается. В Китае она составляет примерно 0,5 долларов за Ватт.
Основными типами кремниевых фотоэлементов являются:
Монокристаллические
Поликристаллические
КПД монокристаллических фотоэлементов, которые являются более дорогими, несколько выше (всего лишь на 1 %), чем КПД поликристаллических. Поликристаллические кремниевые фотоэлементы сегодня обеспечивают наиболее дешевую стоимость 1 Ватта генерируемой электроэнергии.
Кремниевые солнечные батареи не могут служить вечно. За 20 лет эксплуатации в условиях агрессивной среды самые совершенные из них теряют до 15-ти процентов своей первоначальной мощности. Есть основания полагать, что в дальнейшем деградациях солнечных батарей замедляется.

Кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало
Изобретатели во всех странах мира предпринимают всевозможные попытки увеличить экономическую рентабельность солнечных электростанций. Если, например, взять маленький эффективный кремниевый фотоэлемент и параболическое зеркало (concentrated photovoltaics), можно достичь КПД в 40 % вместо 16, при этом, зеркало гораздо дешевле, чем солнечная батарея. Но для того чтобы следить за солнцем, требуется надежная механика. Громадная зеркальная поворотная тарелка должна быть надежно укреплена и защищена от мощных ветровых порывов и агрессивных факторов окружающей среды. Вторая проблема заключается в том, что параболические зеркала не могут фокусировать рассеянный свет. Если солнце зашло даже за не плотные тучи, выработка энергии с помощью параболической системы упадет до нуля. У привычных солнечных батарей в этих условиях выработка тепловой энергии тоже серьезно снижается, но не до нуля. Солнечные батареи с параболическими зеркалами слишком дороги по установочной стоимости и затратны в обслуживании.

Круглые солнечные элементы на крышах
Американской компанией Solyndra при поддержки правительства были сконструированы солнечные фотоэлементы круглой формы. Они монтировались на крышах, выкрашенных в белый цвет. Солнечные батареи круглой формы изготавливали путем напыления проводникового слоя (в случае с Solyndra использовался Copper indium gallium (di)selenide) на стеклянные трубы. Фактическая эффективность круглых батарей составляла порядка 8,5 %, что ниже более дешевых кремниевых. Solyndra, получившая государственные гарантии по громадному кредиту, обанкротилась. В технологии, экономическая эффективность от которых была весьма сомнительной с самого начала, американская экономика вложила немалые денежные средства. «Удачное» лоббирование неэффективных технологий – это не только российское ноу хау.

Большая проблема солнечной энергетики!
Известно, что солнечные электростанции генерируют электроэнергию днем, в то время, как огромная потребность в электричестве возникает как раз таки в вечерние часы. Это значит, что без аккумуляторов солнечные электростанции не будут эффективны. В вечерний пик потребления электричества придется задействовать альтернативные (классические) источники электроэнергии. В дневные часы часть традиционных электростанций придется отключить, а часть - держать в горячем резерве на случай плохой погоды. Если над солнечной электростанцией нависнут тучи, недостающую электроэнергию должна давать резервная. В итоге, классические генерирующие мощности стоят в резерве и теряют прибыль.

Есть еще один путь. Он отражен в проекте Desertec – передача электроэнергии из Африки в Европу. С помощью ЛЭП в вечерний пик потребления электричества можно передавать электроэнергию от СЭС, которые находятся в тех районах земного шара, где в это время в разгаре солнечный день. Но этот способ до перехода на сверхпроводники требует огромных финансовых затрат, а также, всевозможных согласований между разными государствами.

Использование аккумуляторов
Мы выяснили, что в среднем стоимость одного Ватта, произведенного солнечной батареей - 0,5 доллара. В течение дня (8 часов) батарея способна сгенерировать в пределах 8-ми Вт*ч. Эту энергию необходимо сохранить до вечернего пика потребления электричества.
Литиевые аккумуляторы, разработанные в Китае, стоят приблизительно 0,4 доллара за Вт*ч, следовательно, для солнечной батареи стоимостью 0,5 доллара, на 1 Вт будут необходимы аккумуляторы стоимостью 3,2 доллара, а это в шесть раз превышает стоимость самой батареи. Если учесть, что литиевый аккумулятор рассчитан максимум на 2000 циклов заряда-разряда, что составляет от трех до шести лет, то можно сделать вывод, - литиевый аккумулятор, это чрезвычайно дорогое решение.
Самыми дешевыми аккумуляторами являются свинцово-кислотные. Оптовая цена этих далеко не самых экологичных систем, порядка 0,08 доллара за Вт*ч. Свинцово-кислотные аккумуляторы также, как и литевые, рассчитаны на 3-6 лет работы. КПД свинцового аккумулятора составляет 75 %. Четвертую часть своей энергии этот аккумулятор теряет в цикле заряд-разряд. Чтобы сохранить дневную выработку солнечной энергии понадобится приобрести свинцово-кислотные аккумуляторы на 0.64 доллара. Мы видим, что это также больше, чем стоимость самих батарей.
Для современных СЭС разработаны гидроаккумулирующие электростанции. В течение светового дня в них закачивается вода, а ночью они функционируют как обычные гидроэлектростанции. Но строительство этих электростанций (КПД 90 %) не всегда возможно и чрезвычайно дорого.
Мы можем сделать неутешительный вывод. На сегодняшний день аккумуляторы обходятся дороже, чем сами СЭС. Для крупных солнечных электростанций они не предусмотрены. По мере генерации электроэнергии, крупные солнечные электростанции продают ее в распределительные сети. В вечернее и ночное время электроэнергию вырабатывают обычные электростанции.

Энергия солнца - какова сегодня ее цена?
Возьмем, к примеру, Германию – мирового лидера в использовании солнечной энергетики. Киловатт солнечной энергии, которая генерируется (даже в дневные часы, а ведь такая электроэнергия дешевле), выкупается в этой стране по цене от 12 до 17,45 евроцентов за кВт*ч. Поскольку газовые электростанции в Германии по прежнему строятся, функционируют или находятся в горячем резерве, солнечные электростанции в этой стране фактически просто помогают экономить российский газ.
Стоимость российского газа на сегодняшний день – 450 долларов за тысячу кубометров. Из этого объема газа (КПД генерации 40%) можно выработать приблизительно 4.32 ГВт электроэнергии. Следовательно, на 1 кВт*ч электричества выработанного от солнца, российского газа экономится на сумму в 0,104 доллара или 7,87 евроцента. Вот справедливая стоимость солнечной нерегулируемой генерации. Таким образом, в настоящее время в Германии солнечная энергетика на 50 % дотируется государством. Хотя, необходимо отметить, что Германия стремительно снижает стоимость генерации электроэнергии от солнца.

Делаем выводы
Самое экономичное солнечное электричество (0,5 долларов за 1 Ватт) получают сегодня с помощью солнечных поликристаллических батарей. Все остальные способы получения электричества с помощью энергии солнца, на порядок дороже.
Проблема, которая является ключевой для солнечной энергетики, это все же не КПД солнечных батарей, не цены, и не EROEI, который теоретически бесконечен. Главная проблема заключается в удешевлении способов генерации энергии солнца, полученной в дневные часы и сбережения этой энергии для вечернего пикового потребления. Ведь в настоящее время аккумуляторные системы, срок службы которых от трех до шести лет, в разы дороже самих солнечных батарей.
Солнечная генерация в значительных масштабах рассматривается сегодня только в виде способа экономии небольшой части традиционного ископаемого топлива в дневное время. Солнечная энергетика пока не в силах полностью взять на себя нагрузку в вечерние пиковые часы энергопотребления и уменьшить число АЭС, угольных, газовых и гидроэлектростанций, которые в дневные часы должны стоять в резерве, а в вечерние, брать на себя значительную энергетическую нагрузку.
Если в результате ужесточения тарифов (при которых, например, производителям водорода и алюминия будет выгодно запускать свое электролизное производство в дневные часы) пик потребления электроэнергии сместится на дневные часы, то у энергии солнца появятся более серьезные перспективы для развития.
Стоимость солнечной генерации, которая является «нерегулируемой», несопоставима со стоимостью генерации электроэнергии на привычных электростанциях, которые могут свободно генерировать ее в любое время, когда в этом есть необходимость.
Стоимость солнечной электроэнергии не должна превышать стоимости ископаемого топлива, сэкономленного с ее помощью. Если, например, газ в Германии стоит 450 долларов, то цена солнечной генерации в этой стране не должна превышать 0,1 доллара за киловатт час, в противном случае солнечная энергетика в этой стране является убыточной. До тех пор пока ископаемое топливо будет оставаться дешевым и легкодоступным, генерация солнечной энергии является невыгодной с экономической точки зрения.
В настоящее время использование энергии солнца и дорогостоящих солнечных аккумуляторных систем является экономически оправданным только для тех регионов и объектов, где нет других возможностей подключения к электросетям. Например, на одиноко стоящей, отдаленной станции сотовой связи.
Однако, не стоит забывать следующих важных факторов, которые вселяют оптимизм при рассмотрении солнечной энергетики:
1. Стоимость ископаемого топлива неуклонно растет по мере уменьшения его запасов.
2. Разумная государственная политика делает использование солнечных электростанций выгоднее.
3. Прогресс не стоит на месте! КПД солнечных электростанций повышается, разрабатываются новые технологии в генерировании и аккумулировании электроэнергии.

Поэтому, хочется верить, через 3-5 лет можно будет написать гораздо более позитивный обзор этой отрасли энергетики!

Издавна люди говорили о Солнце как о могучем и великом, возвышая его в своих религиях до одушевленного объекта. Светилу поклонялись, ему возносили хвалу, им мерили время и всегда считали его первоисточником земных благ.

Необходимость в солнечной энергии

Прошли тысячелетия. Человечество вступило в новую эру своего развития и пользуется плодами бурно развивающегося технологического прогресса. Однако и по сегодняшний день именно Солнце представляет собой основной природный источник тепла, а, следовательно, и жизни.

Как человечество использует Солнце в повседневной своей деятельности? Рассмотрим этот вопрос подробнее.

«Работа» Солнца

Небесное светило служит единственным источником той энергии, которая нужна для проведения фотосинтеза растений. Солнце приводит в движение круговорот воды, и только благодаря ему на нашей планете имеются все известные человечеству ископаемые виды топлива. И еще люди пользуются силой этой яркой звезды для того, чтобы обеспечить свои потребности в электрической и тепловой энергии. Без этого жизнь на планете была бы просто невозможна.

Основной источник энергии

Природа мудро заботится о том, чтобы человечество получало от небесного светила его дары. Доставка к Земле солнечной энергии осуществляется путем передачи радиационных волн на поверхность материков и вод. Причем до нас из всего посылаемого спектра доходят только:

1. Ультрафиолетовые волны. Они невидимы для человеческого глаза и составляют примерно 2% в общем спектре.

2. Световые волны. Это примерно половина энергии Солнца, которая достигает поверхности Земли. Благодаря световым волнам человек видит все краски окружающего его мира.

3. Инфракрасные волны. Они составляют примерно 49% спектра и нагревают поверхность воды и суши. Именно эти волны и являются наиболее востребованными в вопросах использования энергии Солнца на Земле.

Принцип преобразования инфракрасных волн

Каким образом происходит процесс использования энергии Солнца на Земле? Как и любое другое подобное действие, он осуществляется по принципу прямого превращения. Для этого нужна только специальная поверхность. Попадая на нее, солнечный свет проходит процесс превращения в энергию. Для получения тепла в этой схеме должен быть задействован коллектор. Он поглощает инфракрасные волны. Далее в устройстве, использующем энергию Солнца, непременно присутствуют накопители. Для нагревания конечного продукта устраивают специальные теплообменники.

Цель, которую преследует солнечная энергетика, - получение столь необходимого для человечества тепла и света. Новую отрасль порой называют гелиоэнергетикой. Ведь Helios в переводе с греческого - Солнце.

Работа комплекса

Теоретически каждый из нас может произвести расчет солнечной установки. Ведь известно, что, пройдя путь от единственной звезды нашей галактической системы до Земли, поток световых лучей принесет с собой энергетический заряд, равный 1367 Вт на квадратный метр. Это так называемая солнечная постоянная, которая существует на входе в атмосферные слои. Такой вариант возможен только при идеальных условиях, которых в природе просто не существует. После прохождения атмосферы солнечные лучи принесут на экватор 1020 Вт на квадратный метр. Но из-за смены дневного и ночного времени суток мы сможем получить в три раза меньшее значение. Что касается умеренных широт, то здесь меняется не только длительность светового дня, но и сезонность. Таким образом, получение электроэнергии в местах, далеких от экватора, при расчете нужно будет уменьшить еще в два раза.

География излучений небесного Светила

Где может достаточно эффективно работать солнечная энергетика? Природные условия для размещения установок играют немаловажную роль в этой развивающейся отрасли.
Распределение солнечного излучения на поверхности Земли происходит неравномерно. В одних регионах луч Солнца - долгожданный и редкий гость, в других он способен угнетающе воздействовать на все живое.

То количество солнечного излучения, которое получает тот или иной район, зависит от широты его нахождения. Самые большие дозы энергии природного светила получают государства, находящиеся рядом с экватором. Но и это еще не все. Объем солнечного потока зависит от количества ясных дней, которые изменяются при переходе от одной климатической зоны к другой. Увеличить или уменьшить степень излучения способны воздушные потоки и прочие особенности региона. Преимущества энергии Солнца более всего знакомы:

Странам северо-восточной Африки и некоторым юго-западным и центральным областям континента;
- жителям Аравийского полуострова;
- восточному побережью Африки;
- северо-западной Австралии и некоторым островам Индонезии;
- западному побережью Южной Америки.

Что касается России, то, как показывают произведенные на ее территории замеры, наибольшим дозам солнечного излучения радуются районы, граничащие с Китаем, а также северные зоны. А где в нашей стране Солнце обогревает Землю меньше всего? Это северо-западный регион, в который входит Санкт-Петербург и прилегающие к нему области.

Электростанции

Сложно представить себе нашу жизнь без использования энергии Солнца на Земле. Как применить ее? Использовать лучи света можно для выработки электричества. Потребность в нем растет с каждым годом, а запасы газа, нефти и угля сокращаются стремительными темпами. Именно поэтому в последние десятилетия люди стали строить солнечные электростанции. Ведь эти установки позволяют использовать альтернативные источники энергии, значительно экономя природные ископаемые.

Солнечные электростанции работают благодаря встроенным в их поверхность фотоэлементам. Причем в последние годы удалось значительно повысить КПД работы таких систем. Солнечные установки стали выпускать из новейших материалов и с использованием креативных инженерных решений. Это значительно увеличило их мощность.

По мнению некоторых исследователей, уже в ближайшем будущем человечество может отказаться от существующих ныне традиционных путей получения электроэнергии. Потребности людей полностью удовлетворит небесное светило.

Солнечные электростанции могут иметь различные размеры. Самые небольшие из них - частные. В этих системах предусмотрено всего несколько солнечных панелей. Самые большие и сложные установки занимают площади, превышающие десять квадратных километров.

Все солнечные электростанции делят на шесть типов. Среди них:

Башенные;
- установки с фотоэлементами;
- тарельчатые;
- параболические;
- солнечно-вакуумные;
- смешанные.

Самым распространенным типом электростанции является башенный. Это высокая конструкция. Внешне она напоминает башню с расположенным на ней резервуаром. Емкость наполнена водой и выкрашена в черный цвет. Вокруг башни находятся зеркала, площадь которых превышает 8 квадратных метров. Вся эта система подключена к единому пульту управления, благодаря которому можно направлять угол наклона зеркал таким образом, чтобы они постоянно отражали солнечный свет. Лучи, направленные на резервуар, нагревают воду. Система выдает пар, который и направляется для выработки электроэнергии.

При работе электростанций фотоэлементного типа используются солнечные батареи. Сегодня подобные установки стали особенно популярными. Ведь солнечные батареи могут быть установлены небольшими блоками, что позволяет применять их не только для промышленных предприятий, но и для частных домов.

Если вы увидите целый ряд огромных по своему размеру спутниковых антенн, на внутренней стороне которых установлены зеркальные пластины, то знайте, что это параболические электростанции, работающие на излучении Солнца. Принцип их действия схож с такими же системами башенного типа. Они ловят пучок света и нагревают приемник с жидкостью. Далее вырабатывается пар, который и идет на производство электроэнергии.

Тарельчатые станции работают так же, как и те, которые относят к башенному и параболическому типу. Отличия кроются лишь в конструктивных особенностях установки. На первый взгляд она похожа на металлическое дерево огромных размеров, листьями которого являются плоские зеркала круглой формы. В них и концентрируется солнечная энергия.

Необычный способ получения тепла использован в солнечно-вакуумной электростанции. Ее конструкция представляет собой участок земли, накрытый круглой крышей. В центре этого сооружения возвышается полая башня, в основании которой и установлены турбины. Вращение лопастей такой электростанции происходит благодаря потоку воздуха, который возникает при разности температур. Стеклянная крыша пропускает лучи Солнца. Они нагревают землю. Температура воздуха внутри помещения повышается. Разность показаний столбиков термометров внутри и снаружи и создает воздушную тягу.

Солнечная энергетика задействует и электростанции смешанного типа. О таких системах можно говорить в тех случаях, когда, например, на башнях применяются дополнительные фотоэлементы.

Достоинства и недостатки солнечной энергетики

У каждой отрасли народного хозяйства есть свои положительные и отрицательные стороны. Имеются они и при использовании световых потоков. Плюсы солнечной энергетики заключены в следующем:

Экологичность, ведь она не загрязняет окружающую среду;
- доступность основных составляющих - фотоэлементов, которые реализуются не только для промышленного применения, но и для создания личных небольших электростанций;
- неисчерпаемость и самовосстанавливаемость источника;
- постоянно снижающаяся себестоимость.

Среди недостатков солнечной энергетики можно выделить:

Влияние времени суток и погодных условий на производительность электростанций;
- необходимость в аккумулировании энергии;
- снижение производительности в зависимости от широты, на которой расположен регион, и от времени года;
- большой нагрев воздуха, который имеет место на самой электростанции;
- потребность в периодической чистке от загрязнения, в которой нуждается система солнечных батарей, что проблематично в связи с огромными площадями, на которых установлены фотоэлементы;
- относительно высокая стоимость оборудования, которая хоть и снижается с каждым годом, но пока еще недоступна для массового потребителя.

Перспективы развития

Каковы дальнейшие возможности использования энергии Солнца на Земле? На сегодняшний день этому альтернативному комплексу пророчат большое будущее.

Перспективы солнечной энергетики радужны. Ведь уже сегодня в этом направлении идут огромные по своим масштабам работы. Каждый год в различных странах мира появляется все больше и больше солнечных электростанций, размеры которых поражают своими техническими решениями и масштабами. Кроме того, специалисты данной отрасли не прекращают проводить научные исследования, цель которых - многократное увеличение коэффициента полезного действия используемых на таких установках фотоэлементов.

Ученые произвели интересный расчет. Если на суше планеты Земля установить фотоэлементы, которые бы расположились на семи сотых ее территории, то они, даже имея КПД 10%, обеспечили бы все человечество необходимым ему теплом и светом. И это не столь уж далекая перспектива. Ведь фотоэлементы, которые используются на сегодняшний день, имеют КПД, равный 30%. При этом ученые надеются довести это значение до 85%.

Развитие солнечной энергетики идет достаточно высокими темпами. Люди серьезно озабочены проблемой истощения природных ресурсов и занимаются выявлением альтернативных источников тепла и света. Такое решение позволит предупредить неизбежный для человечества энергетический кризис, а также надвигающуюся экологическую катастрофу.

Солнечная энергия дает жизнь всему живому на Земле. Под ее воздействием испаряется вода с морей и океанов, превращаясь в водные капли, образуя туманы и облака. В результате, эта влага вновь выпадает на Землю, создавая постоянный круговорот. Поэтому, мы постоянно наблюдает снег, дождь, иней или росу. Создаваемая солнцем огромная система отопления, позволяет наиболее оптимально распределять тепло по поверхности Земли. Чтобы правильно понимать и использовать эти процессы, необходимо представлять себе источник энергии солнца и то, от чего зависит его влияние на нашу планету.

Виды солнечной энергии

Основным видом энергии, выделяемой Солнцем, по праву считается лучистая энергия, оказывающая прямое влияние на все важнейшие процессы, происходящие на Земле. Если сравнивать с ней другие земные энергетические источники, то их запасы бесконечно малы и не позволяют решить всех проблем.

Из всех звезд, Солнце расположено к Земле ближе всего. По своей структуре оно является газовым шаром, многократно превышающим диаметр и объем нашей планеты. Поскольку размеры газового шара достаточно условны, то его границами считается видимый с Земли солнечный диск.

Источник и физические свойства солнечной энергии

Все процессы, происходящие на Солнце, можно наблюдать лишь на его поверхности. Однако, основные реакции протекают в его внутренней части. По сути, это гигантская атомная станция с давлением примерно 100 млрд. атмосфер. Здесь, в условиях сложных ядерных реакций, происходит превращение водорода в гелий. Именно эти реакции образуют основной источник энергии солнца. Внутренняя температура составляет, в среднем, приблизительно 16 млн. градусов.

Газ, бушующий внутри Солнца, имеет не только сверхвысокую температуру, но и является чрезвычайно тяжелым, обладающим плотностью, многократно превышающей среднюю солнечную плотность. Одновременно, происходит возникновение рентгеновских лучей, которые, по мере приближения к Земле, увеличивают длину своих волн и уменьшают частоту колебаний. Таким образом, они постепенно становятся видимым и ультрафиолетовым светом.

При отдалении от центра, характер лучистой энергии изменяется, оказывая влияние и на температуру. Происходит ее постепенное снижение сначала до 150 тыс. градусов. С Земли хорошо видна только внешняя солнечная оболочка, так называемая фотосфера. Ее толщина составляет примерно 300 км, а температура верхнего слоя снижается до 5700 градусов.

Над фотосферой расположена солнечная атмосфера, состоящая из двух частей. Нижний слой носит название хромосферы, а верхний слой, не имеющий границ, представляет собой солнечную корону. Здесь газы разогреваются до нескольких миллионов градусов под действием ударных волн чудовищной силы.