Солнечная энергетика, ее применение

 

Содержание

Введение

ГЛАВА 1. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ

1.1 Солнечная радиация

1.2 Сколько солнечной энергии попадает на Землю?

1.3 Время и место

ГЛАВА 2. Солнечная энергетика

2.1 История развития солнечной энергетики

2.2 Достоинства и недостатки использования солнечной энергетики

ГЛАВА 3.ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

3.1 Виды фотоэлектрического эффекта. Законы внешнего фотоэффекта

3.2 Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Экспериментальное подтверждение квантовых свойств света

3.3 Применение фотоэффекта

3.4 Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии

3.5 Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения. Типы фотоэлектрических элементов

3.6 История фотоэлементов

3.7 Применение фотоэлементов

3.8 Технология

ГЛАВА 4. СОЛНЕЧНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

4.1 Солнечные концентраторы

4.2 Солнечные пруды

ГЛАВА 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

5.1 Пассивное использование солнечной энергии

5.2 Тепловая масса (аккумуляция тепла)

5.3 Солнечные коллекторы

5.4 Типы солнечных коллекторов

5.4.1 Интегрированный коллектор

5.4.3 Жидкостные коллекторы

5.4.4 Воздушные коллекторы. Принцип действия

5.4.5 Солнечные трубчатые вакуумированные коллекторы

ГЛАВА 6. ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

.1 Отопление помещений при помощи солнечной энергии

6.2 Солнечные системы горячего водоснабжения

6.3 Обогрев бассейнов

6.4 Солнечный транспорт

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение

Солнце, как известно, является первичным и основным источником энергии для нашей планеты. Оно греет всю Землю, приводит в движение реки и сообщает силу ветру. Под его лучами вырастает 1 квадриллион тонн растений, питающих, в свою очередь, 10 триллионов тонн животных и бактерий. Благодаря тому же Солнцу на 3емле накоплены запасы углеводородов, то есть нефти, угля, торфа и пр., которые мы сейчас активно сжигаем. Для того чтобы сегодня человечество смогло удовлетворить свои потребности в энергоресурсах, требуется в год около 10 миллиардов тонн условного топлива. (Теплота сгорания условного топлива - 7 000 ккал/кг).

Задачи:

·рассмотреть основные физические принципы и явления;

·сформировать знания и умения, позволяющие проводить теоретический расчет основных параметров;

·рассмотреть достоинства и недостатки использования солнечной энергетики

·рассмотреть способы получения электричества и тепла из солнечного излучения

Солнечная энергетика - использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов.

Солнечное излучение является практически неисчерпаемым источником энергии, оно поступает во все уголки Земли, находится "под рукой" у любого потребителя и является экологически чистым доступным источником энергии.

Использование солнечного света и тепла - чистый, простой, и естественный способ получения всех форм необходимой нам энергии. При помощи солнечных коллекторов можно обогреть жилые дома и коммерческие здания или обеспечить их горячей водой. Солнечный свет, сконцентрированный параболическими зеркалами (рефлекторами), применяют для получения тепла (с температурой до нескольких тысяч градусов Цельсия). Его можно использовать для обогрева или для производства электроэнергии. Кроме этого, существует другой способ производства энергии с помощью Солнца - фотоэлектрические технологии. Фотоэлектрические элементы - это устройства, которые преобразовывают солнечную радиацию непосредственно в электричество.

1.СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ

Энергия Солнца является источником жизни на нашей планете. Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, осуществляется круговорот воды в природе, нагреваются моря и океаны, развиваются растения, животные имеют корм. Именно благодаря солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива. Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество.

1.1 Солнечная радиация

Солнечная радиация - это электромагнитное излучение, сосредоточенное в основном в диапазоне волн длиной 0,28…3,0 мкм. Солнечный спектр состоит из:

- ультрафиолетовых волн длиной 0,28…0,38 мкм, невидимых для наших глаз и составляющих приблизительно 2 % солнечного спектра;

- световых волн в диапазоне 0,38 … 0,78 мкм, составляющих приблизительно 49 % спектра;

- инфракрасных волн длиной 0,78…3,0 мкм, на долю которых приходится большая часть оставшихся 49 % солнечного спектра. Остальные части спектра играют незначительную роль в тепловом балансе Земли.

1.2 Сколько солнечной энергии попадает на Землю? <n:\Dok not 2011\disk D\fizika kursovaua\1.doc>

Солнце излучает огромное количество энергии - приблизительно 1,1x1020 кВт ч в секунду. Киловатт·час - это количество энергии, необходимое для работы лампочки накаливания мощностью 100 ватт в течение 10 часов. Внешние слои атмосферы Земли перехватывают приблизительно одну миллионную часть энергии, излучаемой Солнцем, или приблизительно 1500 квадрильонов (1,5 x 1018) кВт·ч ежегодно. Однако из-за отражения, рассеивания и поглощения ее атмосферными газами и аэрозолями только 47% всей энергии, или приблизительно 700 квадрильонов (7 x 1017) кВт·ч, достигает поверхности Земли.

Солнечное излучение в атмосфере Земли делится на так называемое прямое излучение и на рассеянное, на частицах воздуха, пыли, воды, и т.п., содержащихся в атмосфере. Их сумма образует суммарное солнечное излучение.

Количество энергии, падающей на единицу площади в единицу времени, зависит от ряда факторов: широты местного климата, сезона года, угла наклона поверхности по отношению к Солнцу.

1.3 Время и место

Количество солнечной энергии, падающей на поверхность Земли, изменяется вследствие движения Солнца. Эти изменения зависят от времени суток и времени года. Обычно в полдень на Землю попадает больше солнечной радиации, чем рано утром или поздно вечером. В полдень Солнце находится высоко над горизонтом, и длина пути прохождения лучей Солнца через атмосферу Земли сокращается. Следовательно, меньше солнечной радиации рассеивается и поглощается, а значит, больше достигает поверхности.

Количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, отличается от среднегодового значения: в зимнее время - менее чем на 0,8 кВт·ч/м2 в день на Севере Европы и более чем на 4 кВт·ч /м2 в день в летнее время в этом же регионе. Различие уменьшается по мере приближения к экватору.

Количество солнечной энергии зависит и от географического месторасположения участка: чем ближе к экватору, тем оно больше. Например, среднегодовое суммарное солнечное излучение, падающее на горизонтальную поверхность, составляет: в Центральной Европе, Средней Азии и Канаде - приблизительно 1000 кВт·ч/м2; в Средиземноморье - приблизительно 1700 кВт·ч /м2; в большинстве пустынных регионов Африки, Ближнего Востока и Австралии - приблизительно 2200 кВт·ч/м2.

Таким образом, количество солнечной радиации существенно различается в зависимости от времени года и географического положения. Этот фактор необходимо учитывать при использовании солнечной энергии.

2. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА <n:\Dok not 2011\disk D\fizika kursovaua\1.doc>

Солнечная энергетика - использование солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии и в перспективе может стать экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов.

Ныне солнечная энергетика широко применяется в случаях, когда малодоступность других источников энергии в совокупности с изобилием солнечного излучения оправдывает её экономически.

Солнце - источник жизни и жесткий убийца, дающий возможность родиться, и вырасти каждому живому организму на Земле уже на протяжении нескольких миллиардов лет. Всерьез о технологическом «приручении» солнечного света человек начал задумываться только в прошлом столетии.

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м2, расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (то есть вне атмосферы Земли), равен 1367 Вт/ м2 (солнечная постоянная). Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря 1020 Вт/м2. Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раз меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики.

Перспективы выработки солнечной энергии также уменьшаются из-за глобального затемнения - антропогенного уменьшения солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

солнечный энергетика электричество тепло

2.1 История развития солнечной энергетики

В далеком 1839 году Александр Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект.

Спустя 44 года Чарльзу Фриттсу удалось сконструировать первый модуль с использованием солнечной энергии, а основой для него послужил селен, покрытый тончайшим слоем золота. Ученый установил, что такое сочетание элементов позволяет, хоть и в минимальной степени (около 1%), преобразовывать энергию солнца в электричество.

Именно 1883 год принято считать годом рождения эры солнечной энергетики. Однако так думают не все. В научном свете бытует мнение, что «отцом» эпохи солнечной энергии является не кто иной, как сам Альберт Эйнштейн.

В 1921 году Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии. Многие считают, что эту награду великий ученый XX века получил за обоснование сформулированной им теории относительности, но это не так. Оказывается, премию физик получил именно за объяснение законов внешнего фотоэффекта.

В течение ста лет развитие отрасли переживало то резкие, стимулированные учеными, инвестициями частных и государственных структур подъемы, то горькие падения, заставившие общество забыть о «солнечных технологиях» на годы.

2.2 Достоинства и недостатки использования солнечной энергетики

Достоинства:

1) Общедоступность и неисчерпаемость источника (Солнца).

) Теоретически, полная безопасность для окружающей среды (однако в настоящее время в производстве фотоэлементов и в них самих используются вредные вещества).

Недостатки:

Фундаментальные проблемы:

1) Из-за относительно небольшой величины солнечной постоянной для солнечной энергетики требуется использование больших площадей земли под электростанции (например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров). Однако, этот недостаток не так велик (например, гидроэнергетика выводит из пользования заметно большие участки земли). К тому же фотоэлектрические элементы на крупных солнечных электростанциях устанавливаются на высоте 1,8--2,5 метра, что позволяет использовать земли под электростанцией для сельскохозяйственных нужд, например, для выпаса скота.

Проблема нахождения больших площадей земли под солнечные электростанции решается в случае применения солнечных аэростатных электростанций, пригодных как для наземного, так и для морского и для высотного базирования.

) Поток солнечной энергии на поверхности Земли сильно зависит от широты и климата. В разных местах среднее количество солнечных дней в году может различаться очень сильно.

Технические проблемы:

1) Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, мощность электростанции может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков нужно или использовать эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это нерешённая проблема), либо строить гидроаккумулирующие станции, которые тоже занимают большую территорию, либо использовать концепцию водородной энергетики, которая также пока далека от экономической эффективности.

Проблема зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается в случае солнечных аэростатных электростанций.

) Дороговизна солнечных фотоэлементов. Вероятно, с развитием технологии этот недостаток преодолеют. В 1990--2005 гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4 % в год.

) Недостаточный КПД солнечных элементов.

) Поверхность фотопанелей нужно очищать от пыли и других загрязнений. При их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения.

) Эффективность фотоэлектрических элементов заметно падает при их нагреве, поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных.

) Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться.

Экологические проблемы:

1) Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д., а их производство потребляет массу других опасных веществ. Современные фотоэлементы имеют ограниченный срок службы (30--50 лет), и массовое применение поставит в ближайшее же время сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения.

Из-за экологических проблем и возникшего дефицита кремния начинает активно развиваться производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния. К тому же тонкоплёночные фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность. (Так, например, в 2005 году компания «Shell» приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству кремниевых фотоэлектрических элементов).

3.ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

3.1 Виды фотоэлектрического эффекта. Законы внешнего фотоэффекта

Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излучения черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта - явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории. Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный. Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Фотоэффект обнаружен (1887 г.) Г. Герцем, наблюдавшим усиление процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением.

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А.Г. Столетовым. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рисунке 1.Два электрода (катод из исследуемого металла и анод - в схеме Столетова применялась металлическая сетка) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил следующие закономерности, не утратившие своего значения до нашего времени:

) наиболее эффективное действие оказывает ультрафиолетовое излучение;

) под действием света вещество теряет только отрицательные заряды;

) сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.

Дж.Дж. Томсон в 1898 г. измерил удельный заряд испускаемых под действием света частиц (по отклонению в электрическом и магнитном полях). Эти измерения показали, что под действием света вырываются электроны.

Внутренний фотоэффект - это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению э.д.с.

Рис.1.

Вентильный фотоэффект, являющийся разновидностью внутреннего фотоэффекта, - возникновение э.д.с. (фото-э.д.с.) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает, таким образом, пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

На рис. 1 приведена экспериментальная установка для исследования вольт-амперной характеристики фотоэффекта - зависимости фототока , образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения между электродами. Такая зависимость, соответствующая двум различным освещенностям Ее катода (частота света в обоих случаях одинакова), приведена на рис. 2. По мере увеличения фототок постепенно возрастает, т. е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока - фототок насыщения - определяется таким значением , при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

,

где - число электронов, испускаемых катодом в 1 с.

Из вольт-амперной характеристики следует, что при фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью , а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение . При ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

,(1)

т.е., измерив, задерживающее напряжение , можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектронов.

При изучении вольт-амперных характеристик разнообразных материалов (важна чистота поверхности, поэтому измерения проводятся в вакууме и на свежих поверхностях) при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода и обобщения полученных данных были установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта.. Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности ее катода).

Рис. 2

II. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой .. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Качественное объяснение фотоэффекта с волновой точки зрения на первый взгляд не должно было бы представлять трудностей. Действительно, под действием поля световой волны в металле возникают вынужденные колебания электронов, амплитуда которых (например, при резонансе) может быть достаточной для того, чтобы электроны покинули металл; тогда и наблюдается фотоэффект. Кинетическая энергия вырываемого из металла электрона должна была бы зависеть от интенсивности падающего света, так как с увеличением последней электрону передавалась бы большая энергия. Однако этот вывод противоречит II закону фотоэффекта. Так как, по волновой теории, энергия, передаваемая электронам, пропорциональна интенсивности света, то свет любой частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла; иными словами, красной границы фотоэффекта не должно быть, что противоречит III закону фотоэффекта. Кроме того, волновая теория не смогла объяснить безынерционность фотоэффекта, установленную опытами. Таким образом, фотоэффект необъясним с точки зрения волновой теории света.

3.2 Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Экспериментальное подтверждение квантовых свойств света

А. Эйнштейн в 1905 г. показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта. Согласно Эйнштейну, свет частотой не только испускается, как это предполагал Планк, но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых . Таким образом, распространение света нужно рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов, движущихся со скоростью распространения света в вакууме. Кванты электромагнитного излучения получили название фотонов.

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта). Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит почти мгновенно.

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии . По закону сохранения энергии,

(2)

Уравнение (2) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить II и III законы фотоэффекта. Из (2) непосредственно следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (числа фотонов), так как ни, ни от интенсивности света не зависят (II закон фотоэффекта). Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного металла ), то при некоторой достаточно малой частоте кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и фотоэффект прекратится (III закон фотоэффекта). Согласно изложенному, из (2) получим, что

(3)

и есть красная граница фотоэффекта для данного металла. Она зависит лишь от работы выхода электрона, т. е. от химической природы вещества и состояния его поверхности.

Выражение (2) можно записать, используя (1) и (3), в виде

Уравнение Эйнштейна было подтверждено опытами Милликена. В его приборе (1916 г.) поверхность исследуемого металла подвергалась очистке в вакууме. Исследовалась зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектронов, изменялось задерживающее напряжение (см. (1)) от частоты и определялась постоянная Планка. В 1926 г. российские физики П.И. Лукирский (1894-1954) и С.С. Прилежаев для исследования фотоэффекта применили метод вакуумного сферического конденсатора. Анодом в их установке служили посеребренные стенки стеклянного сферического баллона, а катодом - шарик (R 1,5 см) из исследуемого металла, помещенный в центр сферы. В остальном схема принципиально не отличается от описанной на рис. 1. Такая форма электродов позволила увеличить наклон вольт-амперных характеристик и тем самым более точно определять задерживающее напряжение (а, следовательно, и ). Значение , полученное из данных опытов, согласуется со значениями, найденными другими методами (по излучению черного тела и по коротковолновой границе сплошного рентгеновского спектра). Все это является доказательством правильности уравнения Эйнштейна, а вместе с тем и его квантовой теории фотоэффекта.

Если интенсивность света очень большая, то возможен многофотонный (нелинейный) фотоэффект, при котором электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от N фотонов (=27). Уравнение Эйнштейна для многофотонного фотоэффекта

В опытах с фокусируемыми лазерными пучками плотность фотонов очень большая, поэтому электрон может поглотить не один, а несколько фотонов. При этом электрон может приобрести энергию, необходимую для выхода из вещества, даже под действием света с частотой, меньшей красной границы - порога однофотонного фотоэффекта. В результате красная граница смещается в сторону более длинных волн.

Идея Эйнштейна о распространении света в виде потока отдельных фотонов и квантовом характере взаимодействия электромагнитного излучения с веществом подтверждена в 1922 г. опытами А.Ф. Иоффе и Н.И. Добронравова. В электрическом поле плоского конденсатора уравновешивалась заряженная пылинка из висмута. Нижняя обкладка конденсатора изготовлялась из тончайшей алюминиевой фольги, которая являлась одновременно анодом миниатюрной рентгеновской трубки. Анод бомбардировался ускоренными до 12 кВ фотоэлектронами, испускаемыми катодом под действием ультрафиолетового излучения. Освещенность катода подбиралась столь слабой, чтобы из него в 1 с вырывалось лишь 1000 фотоэлектронов, а, следовательно, и число рентгеновских импульсов было 1000 в 1 с. Опыт показал, что в среднем через каждые 30 мин уравновешенная пылинка выходила из равновесия, т. е. рентгеновское излучение освобождало из нее фотоэлектрон.

Если бы рентгеновское излучение распространялось в виде сферических волн, а не отдельных фотонов, то каждый рентгеновский импульс отдавал бы пылинке очень малую часть своей энергии, которая распределялась бы, в свою очередь, между огромным числом электронов, содержащихся в пылинке. Поэтому при таком механизме трудно вообразить, что один из электронов за такое короткое время, как 30 мин, может накопить энергию, достаточную для преодоления работы выхода из пылинки. Напротив, с точки зрения корпускулярной теории это возможно. Так, если рентгеновское излучение распространяется в виде потока дискретных фотонов, то электрон выбивается из пылинки только тогда, когда в нее попадает фотон. Элементарный расчет для выбранных условий дает, что в среднем в пылинку попадает один фотон из 1,8 10. Так как в 1 с вылетает 1000 фотонов, то в среднем в пылинку будет попадать один фотон в 30 мин, что согласуется с результатами опыта.

Если свет представляет собой поток фотонов, то каждый фотон, попадая в регистрирующий прибор (глаз, фотоэлемент), должен вызывать то или иное действие независимо от других фотонов. Это же означает, что при регистрации слабых световых потоков должны наблюдаться флуктуации их интенсивности. Эти флуктуации слабых потоков видимого света действительно наблюдались С.И. Вавиловым. Наблюдения проводились визуально. Глаз, адаптированный к темноте, обладает довольно резким порогом зрительного ощущения, т.е. воспринимает свет, интенсивность которого не меньше некоторого порога. Для света с =525 нм порог зрительного ощущения соответствует у разных людей примерно 100-400 фотонам, падающим на сетчатку за 1 с. С.И. Вавилов наблюдал периодически повторяющиеся вспышки света одинаковой длительности. С уменьшением светового потока некоторые вспышки уже не воспринимались глазом, причем, чем слабее был световой поток, тем больше было пропусков вспышек. Это объясняется флуктуациями интенсивности света, т. е. число фотонов оказывалось по случайным причинам меньше порогового значения. Таким образом, опыт Вавилова явился наглядным подтверждением квантовых свойств света.

3.3 Применение фотоэффекта

На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в различных областях науки и техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где бы не использовались фотоэлементы - приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую.

Простейшим фотоэлементом с внешним фотоэффектом является вакуумный фотоэлемент. Он представляет собой откачанный стеклянный баллон, внутренняя поверхность которого (за исключением окошка для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. В качестве анода обычно используется кольцо или сетка, помещаемая в центре баллона. Фотоэлемент включается в цепь батареи, э.д.с. которой выбирается такой, чтобы обеспечить фототок насыщения. Выбор материала фотокатода определяется рабочей областью спектра: для регистрации видимого света и инфракрасного излучения используется кислородно-цезиевый катод, для регистрации ультрафиолетового излучения и коротковолновой части видимого света - сурьмяно-цезиевый. Вакуумные фотоэлементы безынерционны, и для них наблюдается строгая пропорциональность фототока интенсивности излучения. Эти свойства позволяют использовать вакуумные фотоэлементы в качестве фотометрических приборов, например фотоэлектрический экспонометр, люксметр (измеритель освещенности) и т. д.

Для увеличения интегральной чувствительности вакуумных фотоэлементов (фототок насыщения, приходящийся на 1 лм светового потока) баллон заполняется разреженным инертным газом (Аr или Ne при давлении 1,313 Па). Фототок в таком элементе, называемом газонаполненным, усиливается вследствие ударной ионизации молекул газа фотоэлектронами. Интегральная чувствительность газонаполненных фотоэлементов (1 мА/лм) гораздо выше, чем для вакуумных (20-150 мкА/лм), но они обладают по сравнению с последними большей инерционностью (менее строгой пропорциональностью фототока интенсивности излучения), что приводит к ограничению области их применения.

Для усиления фототока применяются фотоэлектронные умножители, в которых наряду с фотоэффектом используется явление вторичной электронной эмиссии. Размеры фотоэлектронных умножителей немного превышают размеры обычной радиолампы, общий коэффициент усиления составляет 10 (при напряжении питания 1-1,5 кВ), а их интегральная чувствительность может достигать 10 А/лм. Поэтому фотоэлектронные умножители начинают вытеснять фотоэлементы, правда, их применение связано с использованием высоковольтных стабилизированных источников питания, что несколько неудобно.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, называемые полупроводниковыми фотоэлементами или фотосопротивлениями (фоторезисторами), обладают гораздо большей интегральной чувствительностью, чем вакуумные. Для их изготовления используются PbS, CdS, PbSe и некоторые другие полупроводники. Если фотокатоды вакуумных фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей имеют красную границу фотоэффекта не выше 1,1 мкм, то применение фотосопротивлений позволяет производить измерения в далекой инфракрасной области спектра (34 мкм), а также в областях рентгеновского и гамма-излучений. Кроме того, они малогабаритны и имеют низкое напряжение питания. Недостаток фотосопротивлений - их заметная инерционность, поэтому они непригодны для регистрации быстропеременных световых потоков.

Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, называемые вентильными фотоэлементами (фотоэлементами с запирающим слоем), обладая, подобно элементам с внешним фотоэффектом, строгой пропорциональностью фототока интенсивности излучения, имеют большую по сравнению с ними интегральную чувствительность (примерно 2-30 мА/лм) и не нуждаются во внешнем источнике э.д.с. К числу вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, купроксные, сернисто-серебряные и др.

Кремниевые и другие вентильные фотоэлементы применяются для создания солнечных батарей, непосредственно преобразующих световую энергию в электрическую. Эти батареи уже в течение многих лет работают на космических спутниках и кораблях. К.п.д. этих батарей составляет да 10% и, как показывают теоретические расчеты, может быть доведен до 22%, что открывает широкие перспективы их использования в качестве источников электроэнергии для бытовых и производственных нужд.

Рассмотренные виды фотоэффекта используются также в производстве для контроля, управления и автоматизации различных процессов, в военной технике для сигнализации и локации невидимым излучением, в технике звукового кино, в различных системах связи и т. д.

3.4 Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии

Важный вклад в понимание механизма действия фотоэффекта в полупроводниках внес основатель физико-технического института (ФТИ) Российской Академии наук академик А.Ф. Иоффе. Он мечтал о применении полупроводниковых фотоэлементов в солнечной энергетике уже в тридцатые годы, когда Б.Т. Коломиец и Ю.П. Маслаковец создали в ФТИ сернисто-таллиевые фотоэлементы с рекордным для того времени КПД = 1%.

Широкое практическое использование для энергетических целей солнечных батарей началось с запуском в 1958 году искусственных спутников Земли - советского "Спутник"-3 и американского "Авангард"-1. С этого времени вот уже более 35 лет полупроводниковые солнечные батареи являются основным и почти единственным источником энергоснабжения космических аппаратов и больших орбитальных станций типа "Салют" и "Мир". Большой задел, наработанный учеными в области солнечных батарей космического назначения, позволил развернуть также работы по наземной фотоэлектрической энергетике.

Основу фотоэлементов составляет полупроводниковая структура с p-n переходом, возникающим на границе двух полупроводников с различными механизмами проводимости. Заметим, что эта терминология берет начало от английских слов positive (положительный) и negative (отрицательный). Получают различные типы проводимости путем изменения типа введенных в полупроводник примесей. Так, например, атомы III группы Периодической системы Д.И. Менделеева, введенные в кристаллическую решетку кремния, придают последнему дырочную (положительную) проводимость, а примеси V группы - электронную (отрицательную). Контакт p- или n-полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля, играющего чрезвычайно важную роль в работе солнечного фотоэлемента. Поясним причину возникновения контактной разности потенциалов. При соединении в одном монокристалле полупроводников p- и n-типа возникает диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот, поток дырок из p- в n-полупроводник. В результате такого процесса прилегающая к p-n переходу часть полупроводника p-типа будет заряжаться отрицательно, а прилегающая к p-n переходу часть полупроводника n-типа, наоборот, приобретет положительный заряд. Таким образом, вблизи p-n перехода образуется двойной заряженный слой, который противодействует процессу диффузии электронов и дырок. Действительно, диффузия стремится создать поток электронов из n-области в p-область, а поле заряженного слоя, наоборот, - вернуть электроны в n-область. Аналогичным образом поле в p-n переходе противодействует диффузии дырок из p- в n-область. В результате двух процессов, действующих в противоположные стороны (диффузии и движения носителей тока в электрическом поле), устанавливается стационарное, равновесное состояние: на границе возникает заряженный слой, препятствующий проникновению электронов из n-полупроводника, а дырок из p-полупроводника. Другими словами, в области p-n перехода возникает энергетический (потенциальный) барьер, для преодоления которого электроны из n-полупроводника и дырки из p-полупроводника должны затратить определенную энергию. Не останавливаясь на описании электрических характеристик p-n перехода, который широко используется в выпрямителях, транзисторах и других полупроводниковых приборах, рассмотрим работу p-n перехода в фотоэлементах.

При поглощении света в полупроводнике возбуждаются электронно-дырочные пары. В однородном полупроводнике фотовозбуждение увеличивает только энергию электронов и дырок, не разделяя их в пространстве, то есть электроны и дырки разделяются в "пространстве энергий", но остаются рядом в геометрическом пространстве. Для разделения носителей тока и появления фотоэлектродвижущей силы (фотоЭДС) должна существовать дополнительная сила. Наиболее эффективное разделение неравновесных носителей имеет место именно в области p-n перехода (рис. 2). Генерированные вблизи p-n перехода "неосновные" носители (дырки в n-полупроводнике и электроны в p-полупроводнике) диффундируют к p-n переходу, подхватываются полем p-n перехода и выбрасываются в полупроводник, в котором они становятся основными носителями: электроны будут локализоваться в полупроводнике n-типа, а дырки - в полупроводнике p-типа. В результате полупроводник p-типа получает избыточный положительный заряд, а полупроводник n-типа - отрицательный. Между n- и p-областями фотоэлемента возникает разность потенциалов - фотоЭДС. Полярность фотоЭДС соответствует "прямому" смещению p-n перехода, которое понижает высоту барьера и способствует инжекции дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p-область. В результате действия этих двух противоположных механизмов - накопления носителей тока под действием света и их оттока из-за понижения высоты потенциального барьера - при разной интенсивности света устанавливается разная величина фотоЭДС. При этом величина фотоЭДС в широком диапазоне освещенностей растет пропорционально логарифму интенсивности света. При очень большой интенсивности света, когда потенциальный барьер оказывается практически нулевым, величина фотоЭДС выходит на "насыщение" и становится равной высоте барьера на неосвещенном p-n переходе. При засветке же прямым, а также сконцентрированным до 100 - 1000 крат солнечным излучением, величина фотоЭДС составляет 50 - 85% от величины контактной разности потенциала p-n перехода.

Мы рассмотрели процесс возникновения фотоЭДС, возникающей на контактах к p- и n-областям p-n перехода. При коротком замыкании освещенного p-n перехода в электрической цепи потечет ток, пропорциональный по величине интенсивности освещения и количеству генерированных светом электронно-дырочных пар. При включении в электрическую цепь полезной нагрузки, например питаемого солнечной батареей калькулятора, величина тока в цепи несколько уменьшится. Обычно электрическое сопротивление полезной нагрузки в цепи солнечного элемента выбирают таким, чтобы получить максимальную отдаваемую этой нагрузке электрическую мощность.

Солнечный фотоэлемент изготавливается на основе пластины, выполненной из полупроводникового материала, например кремния. В пластине создаются области с p- и n- типами проводимости (рис. 2). В качестве методов создания этих областей используется, например, метод диффузии примесей или метод наращивания одного полупроводника на другой. Затем изготавливаются нижний и верхний электроконтакты (на рисунке электроды заштрихованы), причем нижний контакт - сплошной, а верхний выполняется в виде гребенчатой структуры (тонкие полосы, соединенные относительно широкой токосборной шиной).

Основным материалом для получения солнечных элементов является кремний. Технология получения полупроводникового кремния и фотоэлементов на его основе базируется на методах, разработанных в микроэлектронике - наиболее развитой промышленной технологии. Кремний, по-видимому, вообще один из самых изученных материалов в природе, к тому же второй по распространенности после кислорода. Если учесть, что первые солнечные элементы были изготовлены из кремния около сорока лет назад, то естественно, что этот материал играет первую скрипку в программах фотоэлектрической солнечной энергетики. Фотоэлементы из монокристаллического кремния сочетают достоинства использования относительно дешевого полупроводникового материала с высокими параметрами получаемых на его основе приборов.

До недавнего времени солнечные батареи наземного применения, так же как и космического, изготавливали на основе относительно дорогого монокристаллического кремния. Снижение стоимости исходного кремния, разработка высокопроизводительных методов изготовления пластин из слитков и прогрессивных технологий изготовления солнечных элементов позволили в несколько раз снизить стоимость наземных солнечных батарей на их основе. Основными направлениями работ по дальнейшему снижению стоимости "солнечной" электроэнергии являются: получение элементов на основе дешевого, в том числе ленточного, поликристаллического кремния; разработка дешевых тонкопленочных элементов на основе аморфного кремния и других полупроводниковых материалов; осуществление преобразования концентрированного солнечного излучения с помощью высокоэффективных элементов на основе кремния и относительно нового полупроводникового материала алюминий-галлий-мышьяк.

В последние годы в мире достигнут значительный прогресс в области разработки кремниевых солнечных элементов, работающих при концентрированном солнечном облучении. Созданы кремниевые элементы с КПД > 25% в условиях облучения на поверхности Земли при степени концентрирования 20 - 50 "солнц". Значительно большие степени концентрирования допускают фотоэлементы на основе полупроводникового материала алюминий-галлий-мышьяк, впервые созданные в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе в 1969 году. В таких солнечных элементах достигаются значения КПД > 25% при степени концентрирования до 1000 крат. Несмотря на большую стоимость таких элементов, их вклад в стоимость получаемой электроэнергии не оказывается определяющим при высоких степенях концентрирования солнечного излучения вследствие существенного (до 1000 раз) снижения их площади. Ситуация, при которой стоимость фотоэлементов не дает существенного вклада в общую стоимость солнечной энергоустановки, делает оправданным усложнение и удорожание фотоэлемента, если это обеспечивает увеличение КПД. Этим объясняется внимание, уделяемое в настоящее время разработкам каскадных солнечных элементов, которые позволяют достичь существенного увеличения КПД. В каскадном солнечном элементе солнечный спектр расщепляется на две (или более) части, например, видимую и инфракрасную, каждая из которых преобразуется с помощью фотоэлементов, выполненных на основе различных материалов. В этом случае снижаются потери энергии квантов солнечного излучения. Например, в двухэлементных каскадах теоретическое значение КПД превышает 40%.

3.5 Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения

1) Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.

) Гелиотермальная энергетика - нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи и последующее распределение, и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).

) «Солнечный парус» - устройство, способное в безвоздушном пространстве преобразовывать солнечные лучи в кинетическую энергию.

) Термовоздушные электростанции - преобразуют солнечной энергию в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор.

) Солнечные аэростатные электростанции - генерируют водяной пар внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием. Преимущество - запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

Устройство для прямого преобразования световой или солнечной энергии в электроэнергию называются фотоэлементами (по-английски Photovoltaics, от греческого photos - свет и названия единицы электродвижущей силы - вольт). Преобразование солнечного света в электричество происходит в фотоэлементах, изготовленных из полупроводникового материала, например, кремния, которые под воздействием солнечного света вырабатывают электрический ток. Соединяя фотоэлементы в модули, а те, в свою очередь, друг с другом, можно строить крупные фотоэлектрические станции. Крупнейшая такая станция на сегодняшний день - это 5-мегаваттная установка Карриса Плейн в американском штате Калифорния. КПД фотоэлектрических установок в настоящее время составляет около 10%, однако отдельные фотоэлементы могут достигать эффективности 20% и более.

Типы фотоэлектрических элементов:

1) Монокристаллические кремниевые;

) Поликристаллические кремниевые;

) Тонкоплёночные.

3.6 История фотоэлементов

История фотоэлементов берет начало в 1839 году, когда французский физик Эдмон Беккерель открыл фотогальванический эффект. За этим последовали дальнейшие открытия:

·В 1883 г. электрик из Нью-Йорка Чарльз Фриттс изготовил фотоэлементы из селена, которые преобразуют свет в видимом спектре в электричество и имеют КПД 1-2%. (светочувствительные элементы для фотоаппаратов до сих пор делают из селена).В начале 50-х годов ХХ века был изобретен метод Чохральского, который применяется для выращивания кристаллического кремния.

·В 1954 г. в лаборатории компании "Bell Telephone" синтезировали силиконовый фотоэлектрический элемент с КПД 4%, в дальнейшем эффективность достигла 11%.

·В 1958 г. небольшие (менее 1 ватта) фотоэлектрические батареи питали радиопередатчик американского космического спутника "Авангард". Вообще, космические исследования сыграли важную роль в развитии фотоэлементов.Во время нефтяного кризиса 1973-74 гг. сразу несколько стран запустили программы по использованию фотоэлементов, что привело к установке и опробованию свыше 3100 фотоэлектрических систем только в Соединенных Штатах. Многие из них до сих пор находятся в эксплуатации.

3.7 Применение фотоэлементов

Солнечные фотоэлементы являются вполне реальной технически и экономически выгодной альтернативой ископаемому топливу в ряде применений. Солнечный элемент может напрямую превращать солнечное излучение в электричество без применения каких-либо движущихся механизмов. Благодаря этому, срок службы солнечных генераторов довольно продолжителен. Фотоэлектрические системы хорошо зарекомендовали себя с самого начала промышленного применения фотоэлементов. К примеру, фотоэлементы служат основным источником питания для спутников на околоземной орбите с 1960-х годов. В отдаленных районах фотоэлементы обслуживают автономные энергоустановки с 1970-х. В 1980-х годах производители серийных потребительских товаров начали встраивать фотоэлементы во многие устройства: от часов и калькуляторов до музыкальной аппаратуры. В 1990-х предприятия энергоснабжения начали применять фотоэлементы для обеспечения мелких потребностей пользователей.

Фотоэлектрические установки качают воду, обеспечивают ночное освещение, заряжают аккумуляторы, подают электричество в общую энергосистему и т. д. Они работают в любую погоду. При переменной облачности они достигают 80% своей потенциальной производительности; в туманную погоду - около 50%, и даже при сплошной облачности они вырабатывают до 30% энергии.

В наше время можно найти не только фотоэлектрические панели. Разные фирмы предлагают фотоэлементы в виде легких, эластичных и прочных кровельных плит, а также ненесущих стен-перегородок для фасадных работ. Эти новинки делают фотоэлементы экономически более привлекательными при включении их в состав строительных материалов. В отдаленных районах фотоэлектрические установки являются наиболее рентабельным, надежным и долговечным источником энергии. В некоторых регионах фотоэлементы повышают конкурентоспособность систем, подключенных к электросети. Однако главное - что и в отдаленных, и в подсоединенных к электросетям местностях фотоэлектрические системы вырабатывают чистую энергию, получение которой не сопровождается загрязнением окружающей среды, в отличие от привычных электростанций.

Насосные установки, работающие на солнечных фотоэлементах, эффективны и экономически выгодны в условиях практически любого применения водных насосов. Энергетические компании США обнаружили, что экономичнее использовать водяные насосы на солнечной батарее, чем обслуживать распределительные электрические линии, ведущие к удаленным насосам. Некоторые коммунальные предприятия предлагают насосные установки на фотоэлементах для выполнения заявок клиентов.

В сельских районах находится и другое применение фотоэлектрическим системам - зарядка и освещение электрических изгородей; обеспечение циркуляции воды, вентиляции, света и кондиционирования воздуха в теплицах и гидропонных сооружениях.

3.8 Технология

Солнечные фотоэлектрические системы просты в обращении и не имеют движущихся механизмов, однако сами фотоэлементы содержат сложные полупроводниковые устройства, аналогичные используемым для производства интегральных схем. В основе действия фотоэлементов лежит физический принцип, при котором электрический ток возникает под воздействием света между двумя полупроводниками с различными электрическими свойствами, находящимися в контакте друг с другом. Совокупность таких элементов образует фотоэлектрическую панель, либо модуль. Фотоэлектрические модули, благодаря своим электрическим свойствам, вырабатывают постоянный, а не переменный ток. Он используется во многих простых устройствах, питающихся от батарей. Переменный же ток, напротив, меняет свое направление через регулярные промежутки времени. Именно этот тип электричества поставляют энергопроизводители, он используется для большинства современных приборов и электронных устройств. В простейших системах постоянный ток фотоэлектрических модулей используется напрямую. Там же, где нужен переменный ток, к системе необходимо добавить инвертор, который преобразует постоянный ток в переменный.

4. СОЛНЕЧНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

В дополнение к прямому использованию солнечного тепла, в регионах с высоким уровнем солнечной радиации ее можно использовать для получения пара, который вращает турбину и вырабатывает электроэнергию. Производство солнечной тепловой электроэнергии в крупных масштабах достаточно конкурентоспособно. Промышленное применение этой технологии берет свое начало в 1980-х; с тех пор эта отрасль быстро развивалась. В настоящее время энергокомпаниями США уже установлено более 400 мегаватт солнечных тепловых электростанций, которые обеспечивают электричеством 350 000 человек и замещают эквивалент 2,3 млн. баррелей нефти в год. Девять электростанций, расположенных в пустыне Мохаве (в американском штате Калифорния) имеют 354 МВт установленной мощности и накопили 100 лет опыта промышленной эксплуатации. Эта технология является настолько развитой, что, по официальным сведениям, может соперничать с традиционными электрогенерирующими технологиями во многих районах США. В других регионах мира также скоро должны быть начаты проекты по использованию солнечного тепла для выработки электроэнергии. Индия, Египет, Марокко и Мексика разрабатывают соответствующие программы, гранты для их финансирования предоставляет Глобальная программа защиты окружающей среды (GEF). В Греции, Испании и США новые проекты разрабатываются независимыми производителями электроэнергии.

По способу производства тепла солнечные тепловые электростанции подразделяют на солнечные концентраторы (зеркала) и солнечные пруды.

4.1 Солнечные концентраторы

Такие электростанции концентрируют солнечную энергию при помощи линз и рефлекторов. Так как это тепло можно хранить, такие станции могут вырабатывать электричество по мере надобности, днем и ночью, в любую погоду. Большие зеркала - с точечным либо линейным фокусом - концентрируют солнечные лучи до такой степени, что вода превращается в пар, выделяя при этом достаточно энергии для того, чтобы вращать турбину. Фирма "Luz Corp." установила огромные поля таких зеркал в калифорнийской пустыне. Они производят 354 МВт электроэнергии. Эти системы могут превращать солнечную энергию в электричество с КПД около 15 %.

Все описываемые технологии, кроме солнечных прудов, для достижения высоких температур применяют концентраторы, которые отражают свет Солнца с большей поверхности на меньшую поверхность приемника. Обычно такая система состоит из концентратора, приемника, теплоносителя, аккумулирующей системы и системы передачи энергии.

Солнечное тепло можно сберегать разными способами. Современные технологии включают параболические концентраторы, солнечные параболические зеркала и гелиоэнергетические установки башенного типа. Их можно комбинировать с установками, сжигающими ископаемое топливо, а в некоторых случаях адаптировать для аккумуляции тепла. Основное преимущество такой гибридизации и теплоаккумуляции - это то, что такая технология может обеспечивать диспетчеризацию производства электричества (то есть выработка электроэнергии может производиться в периоды, когда в ней есть необходимость). Гибридизация и аккумулирование тепла могут повысить экономическую ценность производимого электричества и снизить его среднюю стоимость.

4.1.1 Солнечные параболические концентраторы

В этих установках используются параболические зеркала (лотки), которые концентрируют солнечный свет на приемных трубках, содержащих жидкость-теплоноситель. Эта жидкость нагревается почти до 400 оC и прокачивается через ряд теплообменников; при этом вырабатывается перегретый пар, приводящий в движение обычный турбогенератор для производства электричества. Для снижения тепловых потерь приемную трубку может окружать прозрачная стеклянная трубка, помещенная вдоль фокусной линии цилиндра. Как правило, такие установки включают в себя одноосные или двуосные системы слежения за Солнцем. В редких случаях они являются стационарными.

Построенные в 80-х годах в южно-калифорнийской пустыне фирмой "Luz International", девять таких систем образуют крупнейшее на сегодняшний день предприятие по производству солнечного теплового электричества. Эти электростанции поставляют электричество в коммунальную электросеть Южной Калифорнии. Еще в 1984 г. "Luz International" установила в Деггетте (Южная Калифорния) солнечную электрогенерирующую систему "Solar Electric Generating System I" (или SEGS I) мощностью 13,8 МВт. В приемных трубках масло нагревалось до температуры 343 оC и вырабатывался пар для производства электричества. Конструкция "SEGS I" предусматривала 6 часов аккумулирования тепла. В ней применялись печи на природном газе, которые использовались в случае отсутствия солнечной радиации. Эта же компания построила аналогичные электростанции "SEGS II - VII" мощностью по 30 МВт. В 1990 г. в Харпер Лейк были построены "SEGS VIII и IX", каждая мощностью 80 МВт. Из-за многочисленных законодательных и политических трудностей компания "Luz International" и ее филиалы 25 ноября 1991 года известили о своем банкротстве. Теперь станциями "SEGS I - IX" управляют другие фирмы по старому контракту с "Southern California Edison". От планов постройки "SEGS X, XI, XII" пришлось отказаться, что означает потерю дополнительных 240 МВт запланированной мощности.

Оценки технологии показывают ее более высокую стоимость, чем у солнечных электростанций башенного и тарельчатого типа (см. ниже), в основном, из-за более низкой концентрации солнечного излучения, а значит, более низких температур и, соответственно, эффективности. Однако, при условии накопления опыта эксплуатации, улучшения технологии и снижения эксплуатационных расходов параболические концентраторы могут быть наименее дорогостоящей и самой надежной технологией ближайшего будущего.

4.1.2 Солнечная установка тарельчатого типа

Этот вид гелиоустановки представляет собой батарею параболических тарелочных зеркал (схожих формой со спутниковой тарелкой), которые фокусируют солнечную энергию на приемники, расположенные в фокусной точке каждой тарелки. Жидкость в приемнике нагревается до 1000 оС и непосредственно применяется для производства электричества в небольшом двигателе и генераторе, соединенном с приемником.

В настоящее время в разработке находятся двигатели Стирлинга и Брайтона. Несколько опытных систем мощностью от 7 до 25 кВт работают в Соединенных Штатах. Высокая оптическая эффективность и малые начальные затраты делают системы зеркал/двигателей наиболее эффективными из всех гелиотехнологий. Системе из двигателя Стирлинга и параболического зеркала принадлежит мировой рекорд по эффективности превращения солнечной энергии в электричество. В 1984 году на Ранчо Мираж в штате Калифорния удалось добиться практического КПД 29%.

Эта технология успешно реализована в целом ряде проектов. Один из них - проект STEP (Solar Total Energy Project) в американском штате Джорджия. Это крупная система параболических зеркал, работавшая в 1982-1989 гг. в Шенандоа. Она состояла из 114 зеркал, каждое 7 метров в диаметре. Система производила пар высокого давления для выработки электричества, пар среднего давления для трикотажного производства, а также пар низкого давления для системы кондиционирования воздуха на той же трикотажной фабрике. В октябре 1989 г. энергокомпания закрыла станцию из-за повреждений на главной турбине и нехватки средств для ремонта станции.

4.1.3 Солнечные электростанции башенного типа с центральным приемником

В этих системах используется вращающееся поле отражателей-гелиостатов. Они фокусируют солнечный свет на центральный приемник, сооруженный на верху башни, который поглощает тепловую энергию и приводит в действие турбогенератор. Управляемая компьютером двуосная система слежения устанавливает гелиостаты так, чтобы отраженные солнечные лучи были неподвижны и всегда падали на приемник. Циркулирующая в приемнике жидкость переносит тепло к тепловому аккумулятору в виде пара. Пар вращает турбину для выработки электроэнергии, либо непосредственно используется в промышленных процессах. Температуры на приемнике достигают от 538 до 1482 оC.

Первая башенная электростанция под названием "Solar One" близ Барстоу (Южная Калифорния) с успехом продемонстрировала применение этой технологии для производства электроэнергии. Предприятие работало в середине 1980-х. На нем использовалась водно-паровая система мощностью 10 МВтэ. В 1992 г. консорциум энергетических компаний США принял решение модернизировать "Solar One" для демонстрации приемника на расплавленных солях и теплоаккумулирующей системы. Благодаря аккумулированию тепла башенные электростанции стали уникальной гелиотехнологией, позволяющей диспетчеризацию электроэнергии при коэффициенте нагрузки до 65%. В такой системе расплавленная соль закачивается из "холодного" бака при температуре 288 оC и проходит через приемник, где нагревается до 565 оC, а затем возвращается в "горячий" бак. Теперь горячую соль по мере надобности можно использовать для выработки электричества. В современных моделях таких установок тепло хранится на протяжении 3 - 13 часов.

4.2 Солнечные пруды

Ни фокусирующие зеркала, ни солнечные фотоэлементы (см. ниже) не могут вырабатывать энергию в ночное время. Для этой цели солнечную энергию, накопленную днем, нужно сохранять в теплоаккумулирующих баках. Этот процесс естественным образом происходит в так называемых солнечных прудах.

Солнечные пруды имеют высокую концентрацию соли в придонных слоях воды, неконвективный средний слой воды, в котором концентрация соли возрастает с глубиной и конвекционный слой с низкой концентрацией соли - на поверхности. Солнечный свет падает на поверхность пруда, и тепло удерживается в нижних слоях воды благодаря высокой концентрации соли. Вода высокой солености, нагретая поглощенной дном пруда солнечной энергией, не может подняться из-за своей высокой плотности. Она остается у дна пруда, постепенно нагреваясь, пока почти не закипает (в то время как верхние слои воды остаются относительно холодными). Горячий придонный "рассол" используется днем или ночью в качестве источника тепла, благодаря которому особая турбина с органическим теплоносителем может вырабатывать электричество. Средний слой солнечного пруда выступает в качестве теплоизоляции, препятствуя конвекции и потерям тепла со дна на поверхность. Разница температур на дне и на поверхности воды пруда достаточна для того, чтобы привести в действие генератор. Теплоноситель, пропущенный по трубам через нижний слой воды, подается далее в замкнутую систему Рэнкина, в которой вращается турбина для производства электричества.

Этот тип электростанции испытан в Бейт Ха'Арава (Израиль), возле Мертвого моря. Израиль является мировым лидером в области использования соленых солнечных прудов. Компания "Ormat Systems Inc." установила несколько таких систем в акватории Мертвого моря.

Самая крупная из них имеет мощность 5 МВт. Пруд площадью 20 га превращает солнечный свет в электричество при КПД около 1%. Нижние слои воды в пруде имеют очень высокую плотность. Хотя солнечный пруд успешно работал в течение нескольких лет, в 1989 г. его пришлось закрыть по экономическим соображениям. Крупнейшим в США является солнечный пруд площадью 0,3 га в Эль Пасо (штат Техас). Он проработал без остановки с момента своего открытия в 1986 г. Он приводит в действие 70-киловаттный турбогенератор Рэнкина и опреснительную установку объемом 20 000 литров в день, а также поставляет техническое тепло на соседний пищевой комбинат. Температура воды в пруде может достичь и удерживаться на уровне выше 90 оC в теплоаккумулирующей зоне. Во время пиковой мощности эта установка способна производить более 100 кВт·ч электроэнергии в час, а объем опресненной питьевой воды составляет более 350000 литров в сутки. За пять лет работы установка выработала свыше 50000 кВт·ч электроэнергии. Искусственный соленый солнечный пруд сооружен в Майамисбурге (штат Огайо, США). Он используется для обогрева городского плавательного бассейна и дома отдыха.

5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

В большинстве стран мира количество солнечной энергии, попадающей на крыши и стены зданий, намного превышает годовое потребление энергии жителями этих домов. Использование солнечного света и тепла - чистый, простой, и естественный способ получения всех форм необходимой нам энергии. При помощи солнечных коллекторов можно обогреть жилые дома и коммерческие здания и/или обеспечить их горячей водой. Солнечный свет, сконцентрированный параболическими зеркалами (рефлекторами), применяют для получения тепла (с температурой до нескольких тысяч градусов Цельсия). Его можно использовать для обогрева или для производства электроэнергии. Кроме этого, существует другой способ производства энергии с помощью Солнца - фотоэлектрические технологии. Фотоэлектрические элементы - это устройства, которые преобразовывают солнечную радиацию непосредственно в электричество.

Солнечная радиация может быть преобразована в полезную энергию, используя так называемые активные и пассивные солнечные системы. К активным солнечным системам относятся солнечные коллекторы и фотоэлектрические элементы. Пассивные системы получаются с помощью проектирования зданий и подбора строительных материалов таким образом, чтобы максимально использовать энергию Солнца.

Солнечная энергия преобразуется в полезную энергию и косвенным образом, трансформируясь в другие формы энергии, например, энергию биомассы, ветра или воды. Энергия Солнца "управляет" погодой на Земле. Большая доля солнечной радиации поглощается океанами и морями, вода в которых нагревается, испаряется и в виде дождей выпадает на землю, "питая" гидроэлектростанции. Ветер, необходимый ветротурбинам, образуется вследствие неоднородного нагревания воздуха. Другая категория возобновляемых источников энергии, возникающих благодаря энергии Солнца - биомасса. Зеленые растения поглощают солнечный свет, в результате фотосинтеза в них образуются органические вещества, из которых впоследствии можно получить тепловую и электрическую энергию. Таким образом, энергия ветра, воды и биомассы является производной солнечной энергии.

5.1 Пассивное использование солнечной энергии

Пассивные солнечные здания - это те, проект которых разработан с максимальным учетом местных климатических условий, и где применяются соответствующие технологии и материалы для обогрева, охлаждения и освещения здания за счет энергии Солнца. К ним относятся традиционные строительные технологии и материалы, такие как изоляция, массивные полы, обращенные к югу окна. Такие жилые помещения могут быть построены в некоторых случаях без дополнительных затрат. В других случаях возникшие при строительстве дополнительные расходы могут быть скомпенсированы снижением энергозатрат. Пассивные солнечные здания являются экологически чистыми, они способствуют созданию энергетической независимости и энергетически сбалансированному будущему.

В пассивной солнечной системе сама конструкция здания выполняет роль коллектора солнечной радиации. Это определение соответствует большинству наиболее простых систем, где тепло сохраняется в здании благодаря его стенам, потолкам или полам. Есть также системы, где предусмотрены специальные элементы для накопления тепла, вмонтированные в конструкцию здания (например, ящики с камнями или заполненные водой баки или бутыли). Такие системы также классифицируются как пассивные солнечные. Пассивные солнечные здания - идеальное место для жизни. Здесь полнее ощущается связь с природой, в таком доме много естественного света, в нем экономится электроэнергия.

5.2 Тепловая масса (аккумуляция тепла)

Солнечная радиация, падающая на стены, окна, крыши и другие поверхности, поглощается зданием и сохраняется в виде тепловой массы. Затем это тепло излучается внутрь здания. Тепловая масса в солнечной системе теплоснабжения выполняет ту же самую функцию, что и батареи в солнечной фотоэлектрической системе (см. главу по фотоэлектричеству): накопление солнечной энергии для ее дальнейшего использования.

Тепловая масса может быть интегрирована в пассивную солнечную систему различными способами: от покрытого плиткой пола до заполненных водой емкостей. К материалам, которые поглощают и сохраняют тепло, относятся: бетонные плиты для пола, каменные стены и другие тяжелые строительные материалы. Они являются основным элементом в домах, пассивно использующих солнечную энергию. Даже если большая часть окон здания обращена на юг, но при этом нет запаса тепловой массы, то такой дом не будет энергоэффективным. Необходимо знать, что темная поверхность меньше отражает и больше поглощает тепло. Если пол покрыть темной плиткой, то он будет поглощать тепло в течение дня и излучать ночью. Величина теплового потока зависит от температурного различия между источником тепла и объектом, на который он направлен. Как описано выше, тепло перемещается тремя способами: благодаря проводимости (передача тепла твердыми материалами), конвекции (перемещение тепла благодаря движению жидкостей или газов) и излучению. Поверхность дома теряет тепло также благодаря этим трем способам. Хороший дизайн пассивного солнечного здания помогает минимизировать потерю тепла и максимизировать его эффективное распределение. Количество необходимой тепловой массы (материалы, аккумулирующие тепло) в большой степени зависит от климата. Тяжелые здания с большой тепловой массой более комфортны в жарком сухом или холодном климате, но в жарком и влажном климате такие здания малоэффективны. В прохладном климате тепловая масса действует как тепловой резерв на случай холодной погоды, улучшая, таким образом, комфортность и сокращая потребность во вспомогательном обогреве, за исключением пасмурных или очень холодных дней.

Обеспечение адекватной тепловой массы - обычно самая сложная задача для проектировщика в области пассивного солнечного строительства. Потребность в тепловой массе определяется общей площадью окон, обращенных на юг, и месторасположением здания. Для обеспечения эффективного дизайна необходимо следовать таким принципам:

·Располагайте тепловую массу в местах падения солнечных лучей. Тепловая масса, расположенная в местах прямого падения солнечных лучей, более эффективна по сравнению с массой, помещенной в труднодоступное для солнца место. Здания, проект которых рассчитан на косвенное поглощение солнечных лучей, нуждаются в 3-4 раза большем количестве тепловой массы, чем те, которые используют прямое.

·Распределяйте тепловую массу. Дома, использующие пассивный солнечный дизайн, более эффективны, когда тепловая масса относительно тонкая и распределена на большую площадь. Площадь поверхности тепловой массы должна быть, по крайней мере, в 3 раза, а предпочтительнее даже в 6 раз больше, чем суммарная поверхность окон, обращенных к югу. Плиты для пола, толщина которых составляет 8 - 10 см, более эффективны, чем пол толщиной в 40 - 50 см.

·Не покрывайте тепловую массу. Ковры и дорожки препятствуют передаче энергии к пассивным солнечным элементам и от них. Каменные стены могут иметь сухую отделку, но они не должны быть покрыты большими настенными гобеленами или деревянной обшивкой. Сухая отделка должна наноситься непосредственно на стену, а не на покрытия, прикрепленные к стене и создающие нежелательное изолирующее воздушное пространство между отделкой и тепловой массой.

·Изолируйте внутренние поверхности тепловой массы. Есть несколько методов изолирования плит для пола и внешних каменных стен. Такие меры необходимы для сбережения энергии. К сожалению, иногда могут возникнуть проблемы, например, появление термитов в пенопластовой термоизоляции для панелей перекрытия.

·Тепловая масса должна иметь многоцелевое назначение. Для оправдания финансовых затрат тепловая масса должна служить не только как аккумулятор тепла, но и для других целей. Например, каменные стены, способные хранить тепло, хотя и являются одним из элементов пассивного солнечного дизайна, но имеют неоправданно высокую стоимость, если необходимы только как тепловая масса. Покрытый плиткой пол сохраняет тепло, служит в качестве структурного элемента и является красивым элементом оформления. Внутренние каменные стены являются структурным элементом, разделяют комнаты и хранят тепло.

При разработке пассивной солнечной системы в процессе выбора строительных материалов необходимо обратить внимание на их способность удерживать тепло. Эта величина называется объемной теплоемкостью (Дж/м3·оС) или, другими словами, это то количество тепла, которое способен поглотить и хранить материал.

Величина объемной теплоемкости для некоторых часто используемых строительных материалов:

МатериалПлотность (кг\м3)Объемная теплоемкость (Дж/м3·оС)Вода10004186Бетон21001764Кирпич17001360Камень: мрамор25002250Материалы, не подходящие для хранения тепла Гипсокартон950798Древесина610866Матовое стекловолокно2525

Раньше проектировщики, работающие в области пассивного солнечного строительства, в качестве теплоносителя использовали воду, хранящуюся в больших контейнерах. Хотя вода и является дешевой, контейнеры и место, которые они занимают, стоят достаточно дорого. Некоторые проектировщики перешли к емкостям, заполненным камнями, используя их как резервуары для тепловой массы. Нужно учитывать, что для сохранения того же количества тепла потребуется камней в три раза больше, чем воды. Однако влажная среда, образующаяся в местах, где устанавливаются емкости с водой, вызывает появление резкого неприятного запаха и является благоприятной средой для размножения грибков и бактерий. Эти проблемы подорвали репутацию такого варианта пассивного солнечного строительства. Хранение тепла с помощью воды и камней требует сложных систем управления, насосов, и вентиляторов. Такой процесс сохранения тепла сегодня почти не используется. Основная причина этого состоит в том, что функционирование таких систем зависит от электроэнергии, эти системы требуют обслуживания, подвергаются периодическим поломкам и, соответственно, требуют ремонта.

5.3 Солнечные коллекторы

С древнейших времен человек использует энергию Солнца для нагрева воды. В основе многих солнечных энергетических систем лежит применение солнечных коллекторов. Коллектор поглощает световую энергию Солнца и преобразует ее в тепло, которое передается теплоносителю (жидкости или воздуху) и затем используется для обогрева зданий, нагрева воды, производства электричества, сушки сельскохозяйственной продукции или приготовления пищи. Солнечные коллекторы могут применяться практически во всех процессах, использующих тепло.

Для типичного жилого дома или квартиры в Европе и Северной Америке нагрев воды - это второй по энергоемкости домашний процесс. Для ряда домов он даже является самым энергоемким. Использование энергии Солнца способно снизить стоимость бытового нагрева воды на 70%. Коллектор предварительно подогревает воду, которая затем подается на традиционную колонку или бойлер, где вода нагревается до нужной температуры. Это приводит к значительной экономии средств. Такую систему легко установить, она почти не требует ухода.

В наши дни солнечные водонагревательные системы используются в частных домах, многоквартирных зданиях, школах, автомойках, больницах, ресторанах, в сельском хозяйстве и промышленности. У всех перечисленных заведений есть нечто общее: в них используется горячая вода. Владельцы домов и руководители предприятий уже смогли убедиться в том, что солнечные системы для нагрева воды являются экономически выгодными и способны удовлетворить потребность в горячей воде в любом регионе мира.

5.4 Типы солнечных коллекторов

Типичный солнечный коллектор накапливает солнечную энергию в установленных на крыше здания модулях трубок и металлических пластин, окрашенных в черный цвет для максимального поглощения радиации. Они заключены в стеклянный или пластмассовый корпус и наклонены к югу, чтобы улавливать максимум солнечного света. Таким образом, коллектор представляет собой миниатюрную теплицу, накапливающую тепло под стеклянной панелью. Поскольку солнечная радиация распределена по поверхности, коллектор должен иметь большую площадь.

Существуют солнечные коллекторы различных размеров и конструкций в зависимости от их применения. Они могут обеспечивать хозяйство горячей водой для стирки, мытья и приготовления пищи, либо использоваться для предварительного нагрева воды для существующих водонагревателей. В настоящее время рынок предлагает множество различных моделей коллекторов. Их можно разделить на несколько категорий. К примеру, различают несколько видов коллекторов в соответствии с температурой, которую они дают:

·Низкотемпературные коллекторы производят низкопотенциальное тепло, ниже 50 градусов Цельсия. Используются они для подогрева воды в бассейнах и в других случаях, когда требуется не слишком горячая вода.

·Среднетемпературные коллекторы производят высоко- и среднепотенциальное тепло (выше 50 С, обычно 60-80 С). Обычно это остекленные плоские коллекторы, в которых теплопередача совершается посредством жидкости, либо коллекторы-концентраторы, в которых тепло концентрируется. Представителем последних является коллектор вакуумированный трубчатый, который часто используется для нагрева воды в жилом секторе.

·Высокотемпературные коллекторы представляют собой параболические тарелки и используются в основном электрогенерирующими предприятиями для производства электричества для электросетей.

5.4.1 Интегрированный коллектор

Простейший вид солнечного коллектора - это "емкостной" или "термосифонный коллектор", получивший это название потому, что коллектор одновременно является и теплоаккумулирующим баком, в котором нагревается и хранится "одноразовая" порция воды. Такие коллекторы используются для предварительного нагрева воды, которая затем нагревается до нужной температуры в традиционных установках, например, в газовых колонках. В условиях домашнего хозяйства предварительно подогретая вода поступает в бак-накопитель. Благодаря этому снижается потребление энергии на последующий ее нагрев. Такой коллектор - недорогая альтернатива активной солнечной водонагревательной системе, не использующая движущихся частей (насосов), требующая минимального техобслуживания, с нулевыми эксплуатационными расходами. К этому виду коллекторов принадлежат также "Integrated Collector and Storage" - интегрированные коллекторы-накопители. Они состоят из одного или нескольких черных баков, наполненных водой и помещенных в теплоизолированный ящик, накрытый стеклянной крышкой. Иногда в ящик помещают также рефлектор, усиливающий солнечное излучение. Свет проходит сквозь стекло и нагревает воду. Эти устройства совсем недороги, однако перед наступлением холодов воду из них необходимо слить либо защитить от замерзания.

5.4.2 Плоские коллекторы

Плоские коллекторы - самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Обычно этот коллектор представляет собой теплоизолированный металлический ящик со стеклянной либо пластмассовой крышкой, в который помещена окрашенная в черный цвет пластина абсорбера (поглотителя). Остекление может быть прозрачным либо матовым. В плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа (оно пропускает значительную часть поступающего на коллектор солнечного света). Солнечный свет попадает на тепловоспринимающую пластину, а благодаря остеклению снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери.

Пластину абсорбера обычно окрашивают в черный цвет, так как темные поверхности поглощают больше солнечной энергии, чем светлые. Солнечный свет проходит через остекление и попадает на поглощающую пластину, которая нагревается, превращая солнечную радиацию в тепловую энергию. Это тепло передается теплоносителю - воздуху или жидкости, циркулирующей по трубкам. Поскольку большинство черных поверхностей все же отражает порядка 10% падающей радиации, некоторые пластины-поглотители обрабатываются специальным селективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет и служит дольше, чем обычная черная краска. Селективное покрытие, используемое в коллекторах, состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного полупроводника, нанесенного на металлическое основание. Селективные покрытия отличаются высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области.

Поглощающие пластины обычно изготовлены из металла, хорошо проводящего тепло (чаще всего меди или алюминия). Медь дороже, но лучше проводит тепло и меньше подвержена коррозии, чем алюминий. Пластина-поглотитель должна иметь высокую теплопроводность, чтобы с минимальными теплопотерями передавать воде накопленную энергию. Плоские коллекторы делятся на жидкостные и воздушные. Оба вида коллекторов бывают остекленными или неостекленными.

5.4.3 Жидкостные коллекторы

В жидкостных коллекторах солнечная энергия нагревает жидкость, текущую по трубкам, прикрепленным к поглощающей пластине. Тепло, поглощенное пластиной, немедленно передается жидкости.

Трубки могут располагаться параллельно друг другу, причем на каждой имеются входное и выпускное отверстия, либо в виде змеевика. Змеевидное расположение трубок устраняет возможность протекания через соединительные отверстия и обеспечивает равномерный поток жидкости. С другой стороны, при спуске жидкости во избежание замерзания могут возникнуть трудности, так как в изогнутых трубках может местами оставаться вода.

В самых простых жидкостных системах используется обычная вода, которая нагревается прямо в коллекторе и поступает в ванную, кухню и т.п. Эта модель известна как "разомкнутая" (либо "прямая") система. В регионах с холодным климатом жидкостные коллекторы нуждаются в спуске воды в холодное время года, когда температура опускается до точки замерзания; либо в качестве теплоносителя используется незамерзающая жидкость. В таких системах жидкий теплоноситель поглощает тепло, накопленное коллектором, и проходит через теплообменник. Теплообменником обычно служит установленный в доме водяной бак, в котором тепло передается воде. Эта модель называется "замкнутой системой" ("непрямой").

Остекленные жидкостные коллекторы используются для нагрева бытовой воды, а также для отопления помещений. Неостекленные коллекторы обычно нагревают воду для бассейнов. Поскольку таким коллекторам не нужно выдерживать высокую температуру, в них применяются недорогие материалы: пластмасса, резина. Они не нуждаются в защите от замерзания, так как используются в теплое время года.

5.4.4 Воздушные коллекторы

Воздушные коллекторы имеют то преимущество, что им не свойственны проблемы замерзания и кипения теплоносителя, от которых порой страдают жидкостные системы. И хотя утечку теплоносителя в воздушном коллекторе труднее заметить и устранить, она приносит меньше неприятностей, чем утечка жидкости. В воздушных системах часто используются более дешевые материалы, чем в жидкостных, например, пластмассовое остекление, потому, что рабочая температура в них ниже.

Воздушные коллекторы представляют собой простые плоские коллекторы и используются в основном для отопления помещений и сушки сельскохозяйственной продукции. Поглощающими пластинами в воздушных коллекторах служат металлические панели, многослойные экраны, в том числе и из неметаллических материалов. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под воздействием вентилятора. Поскольку воздух хуже проводит тепло, чем жидкость, он передает поглотителю меньше тепла, чем жидкий теплоноситель. В некоторых солнечных воздухонагревателях к поглощающей пластине присоединены вентиляторы, которые увеличивают турбулентность воздуха и улучшают теплопередачу. Недостаток этой конструкции в том, что она расходует энергию на работу вентиляторов, таким образом увеличивая затраты на эксплуатацию системы. В холодном климате воздух направляется в промежуток между пластиной-поглотителем и утепленной задней стенкой коллектора: таким образом избегают потерь тепла сквозь остекление. Однако, если воздух нагревается не более, чем на 17 оС выше температуры наружного воздуха, теплоноситель может циркулировать по обе стороны от пластины-поглотителя без больших потерь эффективности.

Основными достоинствами воздушных коллекторов являются их простота и надежность. Такие коллекторы имеют простое устройство. При надлежащем уходе качественный коллектор может прослужить 10-20 лет, а управление им весьма несложно. Теплообменник не требуется, так как воздух не замерзает.

Однако применение солнечных воздухонагревателей по-прежнему ограничивается отоплением помещений и сушкой сельскохозяйственной продукции, в основном в развивающихся странах. Есть несколько факторов, ограничивающих более широкое применение воздушных коллекторов в промышленном масштабе. Среди них большая площадь коллекторов из-за малой плотности и низкой удельной теплоемкости воздушного теплоносителя по сравнению с жидкостным; необходимость длинного воздуховода; высокая потребность в электроэнергии для прогонки воздуха через коллектор, а также трудности аккумулирования теплоты. В регионах с относительно низким поступлением солнечной радиации и долгими периодами неблагоприятной погоды требуется дополнительное тепло; в результате стоимость капиталовложений настолько возрастает, что это ограничивает конкурентоспособность солнечных коллекторов по сравнению с традиционными отопительными системами. Потенциальным способом снижения стоимости коллекторов является их интеграция в стены или крыши зданий, а также создание коллекторов, которые можно будет собирать из готовых сборных компонентов.

Принцип действия.

Воздушные солнечные коллекторы можно разделить на группы по способу циркуляции воздуха. В простейшем из них воздух проходит через коллектор под поглотителем. Этот вид коллектора пригоден только для подъема температуры на 3-5 оC из-за высоких потерь тепла на поверхности коллектора через конвекцию и излучение. Эти потери можно значительно снизить, накрыв поглотитель прозрачным материалом с низкой проводимостью инфракрасного излучения. В таком коллекторе поток воздуха возникает либо под поглотителем, либо между поглотителем и прозрачным покрытием. Благодаря прозрачной крышке излучение тепла с поглотителя снижается незначительно, но из-за снижения конвективных теплопотерь можно достичь подъема температуры на 20-50 оC в зависимости от количества солнечной радиации и интенсивности воздушного потока. Можно добиться дальнейшего снижения тепловых потерь, проведя воздушный поток и над поглотителем и под ним, так как при этом удваивается площадь поверхности теплопередачи. Потери тепла из-за излучения при этом снизятся благодаря пониженной температуре поглотителя. Однако одновременно происходит и снижение поглотительной способности абсорбера из-за наслоения пыли, если воздушный поток проходит с обеих сторон поглотителя.

Некоторые солнечные коллекторы позволяют снизить затраты за счет отказа от остекления, металлического ящика и теплоизоляции. Такой коллектор изготавливают из черных перфорированных металлических листов, которые позволяют достичь хорошего теплообмена. Солнце нагревает металл, а вентилятор втягивает нагретый воздух сквозь отверстия в металле. Такие коллекторы разного размера используются в частных домах. Типичный коллектор размером 2,4 на 0,8 метра может нагревать 0,002 м3 наружного воздуха в секунду. В солнечный зимний день воздух в коллекторе нагревается на 28 оC по сравнению с наружным. При этом улучшается качество воздуха внутри дома, так как коллектор непосредственно нагревает поступающий снаружи свежий воздух. Эти коллекторы достигли очень высокой эффективности - в некоторых случаях промышленного применения она превышает 70%. К тому же они не требуют остекления, изоляции и дешевы в изготовлении.

5.4.5 Солнечные трубчатые вакуумированные коллекторы

Традиционные простые плоские солнечные коллекторы были спроектированы для применения в регионах с теплым солнечным климатом. Они резко теряют в эффективности в неблагоприятные дни - в холодную, облачную и ветреную погоду. Более того, вызванные погодными условиями конденсация и влажность приводят к преждевременному износу внутренних материалов, а это, в свою очередь, - к ухудшению эксплуатационных качеств системы и ее поломкам. Эти недостатки устраняются путем использования вакуумированных коллекторов.

Вакуумированные коллекторы нагревают воду для бытового применения там, где нужна вода более высокой температуры. Солнечная радиация проходит сквозь наружную стеклянную трубку, попадает на трубку-поглотитель и превращается в тепло. Оно передается жидкости, протекающей по трубке. Коллектор состоит из нескольких рядов параллельных стеклянных трубок, к каждой из которых прикреплен трубчатый поглотитель (вместо пластины-поглотителя в плоских коллекторах) с селективным покрытием. Нагретая жидкость циркулирует через теплообменник и отдает тепло воде, содержащейся в баке-накопителе.

Вакуумированные коллекторы являются модульными, т.е. трубки можно добавлять или убирать по мере надобности, в зависимости от потребности в горячей воде. При изготовлении коллекторов этого типа из пространства между трубками высасывается воздух и образуется вакуум. Благодаря этому устраняются потери тепла, связанные с теплопроводностью воздуха и конвекцией, вызванной его циркуляцией. Остается радиационная потеря тепла (тепловая энергия движется от теплой к холодной поверхности, даже в условиях вакуума). Однако эта потеря мала и незначительна по сравнению с количеством тепла, передаваемого жидкости в трубке-поглотителе. Вакуум в стеклянной трубке - лучшая из возможных теплоизоляций для коллектора - снижает потери тепла и защищает поглотитель и теплоотводящую трубку от неблагоприятных внешних воздействий. Результат - отличные рабочие характеристики, превосходящие любой другой вид солнечного коллектора.

Существует множество различных видов вакуумированных коллекторов. В некоторых внутри трубки-поглотителя проходит еще одна, третья стеклянная трубка; есть и другие конструкции теплопередающих ребер и жидкостных трубок. Существует вакуумный коллектор, который вмещает по 19 литров воды в каждой трубке, устраняя, таким образом, потребность в отдельном баке для хранения воды. Можно также разместить позади вакуумных трубок рефлекторы, чтобы дополнительно концентрировать на коллекторе солнечную радиацию.

Такие факторы, как атмосферное давление и технические трудности, связанные с запайкой оболочки коллектора, делают его производство весьма трудоемким. Для преодоления колоссальной силы атмосферного давления необходимо укрепить прозрачную оболочку массой внутренних опор. До сих пор не решена проблема создания эффективной высоковакуумной системы при умеренной себестоимости. Имеет смысл применять и адаптировать более совершенные технологии, разработанные для ламповой промышленности с ее испытанным массовым производством. Вполне осуществимо на практике создание трубчатого вакуумированного коллектора и поддержание в нем высокого вакуума по аналогии с электролампами и трубками для телевизоров. Для снижения потерь тепла через внутреннюю газовую атмосферу (т.е. конвективных потерь) необходимо поддерживать идеальную вакуумную изоляцию коллектора в течение всего периода его службы.

В регионах с высокими перепадами температур эти коллекторы гораздо эффективнее плоских по ряду причин. Во-первых, они хорошо работают в условиях как прямой, так и рассеянной солнечной радиации. Эта особенность в сочетании со свойством вакуума сводить к минимуму потери тепла наружу делает эти коллекторы незаменимыми в условиях холодной пасмурной зимы. Во-вторых, благодаря округлой форме вакуумной трубки, солнечный свет падает перпендикулярно поглотителю в течение большей части дня. Для сравнения, в неподвижно закрепленном плоском коллекторе солнечный свет падает перпендикулярно его поверхности только в полдень. Вакуумированные коллекторы отличаются более высокой температурой воды и эффективностью, чем плоские, но при этом они и дороже.

6.ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Солнечная энергия используется в следующих случаях: обеспечение горячей водой жилых домов, общественных зданий и промышленных предприятий; подогрев бассейнов; топление помещений; сушка сельскохозяйственной продукции и др.; охлаждение и кондиционирование воздуха; очистка воды; приготовление пищи.

Применяемые технологии являются полностью разработанными, а первые две - в благоприятных условиях также экономически целесообразны. Смотрите ниже отдельную статью о коллекторах-концентраторах, которые с выгодой применяются для производства электроэнергии, особенно в регионах с большим количеством солнечной радиации.

6.1 Отопление помещений при помощи солнечной энергии

Выше мы говорили только о нагреве воды при помощи солнечной энергии. Активная солнечная отопительная установка может не только обеспечивать горячую воду, но и дополнительное отопление через систему центрального теплоснабжения. Для обеспечения производительности такой системы температура центрального отопления должна быть минимальной (желательно около 50 оC), также необходимо аккумулировать тепло для отопления. Удачным решением является комбинация солнечной отопительной установки с подогревом пола, при котором пол является тепловым аккумулятором.

Солнечные установки для отопления помещений менее выгодны, чем водонагреватели, как с экономической, так и с энергетической точки зрения, так как отопление редко требуется в летнее время. Но если летом нужно отапливать помещения (например, в горных районах), то тогда отопительные установки становятся выгодными. В Центральной Европе, например, около 20% общей тепловой нагрузки традиционного дома и приблизительно 50% дома с низким энергопотреблением можно обеспечивать за счет современной активной солнечной системы, оснащенной системой аккумулирования тепла. Оставшееся тепло должно обеспечиваться за счет дополнительной энергоустановки. Чтобы увеличить долю энергии, получаемой от Солнца, нужно увеличивать объем аккумулятора тепла.

В Швейцарии конструируют солнечные установки для частных домов с хорошо утепленными накопительными баками вместительностью 5-30м3 (так называемые, системы Дженни), но стоят они дорого, а хранение горячей воды часто непрактично. Солнечный компонент системы Дженни превышает 50% и даже достигает 100%.

Если бы вышеописанная система полностью работала за счет солнечной водонагревательной установки, то понадобился бы коллектор площадью 25 м3 и бак-накопитель объемом 85 м3 с теплоизоляцией толщиной 100 см. Увеличение теплоемкости аккумулятора энергии приводит к значительному улучшению практических возможностей аккумулирования.

Хотя отопление индивидуальных жилых домов при помощи солнечной энергии является технически возможным, более экономически выгодным на сегодняшний день является вложение средств в теплоизоляцию для сокращения потребности в отоплении.

6.2 Солнечные системы горячего водоснабжения

В настоящее время в нескольких миллионах жилых домов и предприятий пользуются солнечными системами нагрева воды. Это экономичный и надежный вид горячего водоснабжения. Нагрев воды для бытовых целей или отопления с помощью солнечной энергии - естественный и простой метод сбережения энергии и сохранения запасов ископаемого топлива. Хорошо спроектированная и правильно установленная солнечная система может, благодаря своему эстетичному виду, повысить стоимость дома. На новостройках такие системы включаются в общий план строительства, так что они практически незаметны со стороны, тогда как приспособить систему к старой постройке бывает зачастую нелегко.

Солнечный коллектор позволяет своему владельцу сэкономить деньги, не оказывая при этом вредного влияния на окружающую среду. Использование одного солнечного коллектора позволяет сократить выбросы в атмосферу углекислого газа на одну-две тонны в год. Переход на солнечную энергию предотвращает выбросы и других загрязнителей, таких как двуокись серы, угарный газ и закись азота.

Горячее водоснабжение - наиболее распространенный вид прямого применения солнечной энергии. Типичная установка состоит из одного или более коллекторов, в которых жидкость нагревается на солнце, а также бака для хранения горячей воды, нагретой посредством жидкости-теплоносителя. Даже в регионах с относительно небольшим количеством солнечной радиации, например в Северной Европе, солнечная система может обеспечить 50-70% потребности в горячей воде. Больше получить невозможно, разве что с помощью сезонного регулирования (см. главу ниже). В Южной Европе солнечный коллектор может обеспечить 70-90% потребляемой горячей воды. Нагрев воды в помощью энергии Солнца - очень практичный и экономный способ. В то время, как фотоэлектрические системы достигают эффективности 10-15%, тепловые солнечные системы показывают КПД 50-90%. В сочетании с деревосжигающими печами бытовую потребность в горячей воде можно удовлетворять практически круглый год без применения ископаемых видов топлива.

6.3 Обогрев бассейнов

Системы подогрева воды для бассейнов - весьма полезное вложение денег. Департамент энергетики США выяснил, что плавательные бассейны по всей стране потребляют колоссальное количество энергии, и признал обогрев бассейнов одним из наиболее экономически выгодных путей снижения потребления энергии. В США и Европе солнечные обогреватели для бассейнов используются практически повсеместно. Только в Соединенных Штатах свыше 200000 бассейнов обогреваются солнечной энергией. Самые старые из этих систем находятся в эксплуатации уже более 25 лет и показали себя экономичными, высоконадежными, требующими минимального ухода. Важно отметить, что они хорошо работают и экономят деньги в течение купального сезона даже в условиях северного климата. Существуют солнечные системы для закрытых бассейнов, а также для крупных городских и коммерческих бассейнов.

Несмотря на то, что стоимость такой установки меняется в зависимости от размера бассейна и других специфических условий, если солнечные системы устанавливаются с целью снижения или отказа от потребления топлива или электроэнергии, они за два-четыре года окупаются за счет экономии энергии. Более того, обогрев бассейна позволяет на несколько недель продлить купальный сезон без дополнительных затрат.

В большинстве зданий не составляет труда устроить солнечный обогреватель для бассейна. Он может сводиться к простому черному шлангу, по которому в бассейн подается вода. Для открытых бассейнов нужно всего лишь установить абсорбер. Закрытые бассейны требуют установки стандартных коллекторов, чтобы обеспечить теплую воду и зимой.

Хотя чаще всего коллекторы устанавливают на крыше, для этого подходит любое место, куда большую часть дня поступает солнечный свет. Вид крыши и материалы, из которых она сделана, не имеют значения. Площадь коллекторов для данного бассейна рассчитывается, исходя из площади самого бассейна.

Правильное соотношение площади бассейна к площади солнечного коллектора будет меняться в зависимости от таких факторов, как его размещение, ориентировка относительно Солнца, количество тени, падающей на бассейн и коллектор и желаемая продолжительность купального сезона. Однако в целом площадь коллектора обычно составляет 50 - 100% от поверхности бассейна.

6.4 Солнечный транспорт

Беспилотный самолёт Helios с фотоэлементами на крыльях.

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях <#"center">ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из сказанного выше следует вывод о перспективности фотоэлектрической солнечной энергетики. Солнечное излучение является практически неисчерпаемым источником энергии, оно поступает во все уголки Земли, находится "под рукой" у любого потребителя и является экологически чистым доступным источником энергии.

Недостатком солнечного излучения как источника энергии является неравномерность его поступления на земную поверхность, определяемая суточной и сезонной цикличностью, а также погодными условиями. Поэтому весьма важной является проблема аккумулирования электроэнергии, вырабатываемой с помощью солнечных энергоустановок. В настоящее время эта проблема решается в основном путем использования обычных химических накопителей - аккумуляторов. Одним из перспективных способов аккумулирования является использование электроэнергии для электролиза воды на водород и кислород с последующим хранением и использованием водорода в качестве экологически чистого топлива, так как при сгорании водорода образуются только пары воды.

Крупномасштабное развитие фотоэнергетики даст огромный толчок развитию районов Земли с высоким среднегодовым поступлением солнечного излучения. Это касается в первую очередь пустынных и засушливых районов, которые с "приходом" солнечной электроэнергии станут районами, пригодными для активного земледелия - житницами Земли. Значит ли это, что усилия специалистов надо сосредоточить только на разработке фотоэлектрических преобразователей и решении непосредственно связанных с ними проблем? Конечно, нет. Нельзя развивать какое-то одно направление за счет подавления других направлений. Это же касается и электроэнергетики: ее нельзя строить, базируясь только на одном виде ресурсов. Она должна основываться на многих источниках: солнечных, ветровых, атомных и, конечно, на традиционных, ископаемых источниках. Это позволит найти оптимальные пути их взаимодействия, постепенно переходя к совершенной, экологически чистой и надежной энергетике будущего.

Литература

1.Андреев, В.М. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии. // Соросов. образоват. журнал. - 1996. - № 7. - С. 93 - 98.

2.Згут, М. Ловушки для солнца: [О конструкциях накопителей солнеч. энергии] // Наука и жизнь. - 1988.- № 6. - С. 87 - 88.

.Емельянов, А. Солнечная альтернатива: Альтернативная энергетика // Экология и жизнь. - 2001. - № 6. - С. 22 - 23.

.Игнатишев, Р. Надежда на солнце: Светоэлектропреобразовательная энергетика в Беларуси // Бел. думка. - 2002. - № 9. - С. 80 - 83.

.Лебедев. В. Солнечное будущее: альтернативная энергетика/ В. Лебедев // Наука и инновации, 2008, № 5. - 2008. - С. 19 - 21.

.Лучков, Б.И. На пути к городу Солнца: Использование солнечной энергии // Физика: Прил. к газ. «Первое сентября». - 2003. - № 15. - С. 7 - 10.

.Лучков, Б. Солнечный дом - солнечный город: Перспективы солнечной энергетики // Наука и жизнь. - 2002. - № 12. - С. 26 - 31.

.Лучков, Б. Солнечная энергетика // Физика: Прилож. к газете «Первое сентября». - № 41. - С. 7 - 8.

.Мейсон, Д. Грандиозные идеи: развитие солнечной энергетики / Д. Мейсон, В.Фтенакис, К. Цвайбель // В мире науки, 2008, № 4. - С. 28 - 37.

.Петрукович, А., Зеленый, Л. В объятиях солнца: Влияние солнечной активности на жизнь на Земле. // Наука и жизнь. - 2001. - № 7. - С. 2 - 8.

.Пополов, А. Солнце к юбилею: [Пробл. гелиоэнергетики] // Наука и жизнь. - 1991. - № 11. - С. 74 - 77: табл.

.Родионов, Б.Н. Престижно и экономно: Перспективы использования солнечной энергетики // Строит. материалы, оборуд., технологии XXІ в.. -2000. - № 4. - С. 34 - 35.

.Шицкова, А.П., Новикова, Ю.В. Солнечная энергетика // Гармония или трагедия? - М., 1989. - С. 91 - 94.

.Юревич, И. Солнце, воздух, вода, земля…: Альтернативные нетрадиц. источ. энергии // Беларуская думка. - 1995. - № 12. - С. 39 - 43.

Содержание Введение ГЛАВА 1. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ 1.1 Солнечная радиация 1.2 Сколько солнечной энергии попадает на Землю? 1.3 Время и место

Больше работ по теме: