CC BY
1301
НЕТРАДИЦИОННЫЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ
ЭНЕРГИИ
УДК 621.311.25
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
В. А. Алехин
В данной статье рассматривается современная проблема человечества - кризис энергетических ресурсов. В связи с этим появляется необходимость в использовании новых источников, прибегая к нетрадиционной энергетике. Основное внимание в статье уделяется областям применения солнечной энергетики, как экологически чистого и возобновляемого источника энергии, также рассказывается о уже существующих изобретениях, их устройстве и принципе действия.
Ключевые слова: энергетический кризис, альтернативная энергетика, нетрадиционные возобновляемые источники энергии, солнечная энергетика, солнцемобиль, мобильная фотоэлектрическая станция, портативная система солнечного электропитания, солнечная кухня, светильники на солнечных батареях, солнечные коллекторы, солнечное излучение.
В настоящее время наиболее актуальной проблемой человечества можно считать вопрос энергетического будущего страны и мира в целом. В средствах массовой информации часто затрагивают эту тему, в различных публикациях постоянно появляются статьи об энергетическом кризисе. Казалось бы, решение этой проблемы лежит на поверхности: больше электростанций - больше энергии. Однако чтобы их стало больше, необходимо израсходовать больше топлива, которое мы берем из природных запасов нефти, газа, угля, которые отнюдь не бесконечны [1, 6]. Сейчас ученые-инженеры всего мира занимаются поисками новых источников энергии, которые не только могли бы сохранить и заменить истощаемые природные ресурсы, но и улучшить экологическую картину нашей планеты.
Энергетика имеет многочисленные отрасли в зависимости от основного энергоносителя: ядерная, угольная, газовая, гидроэнергетика и альтернативная, основанная на использовании нетрадиционных возобновляемых источников энергии. К альтернативной энергетике можно отнести ветроэнергетику, солнечную, геотермальную, биомассовую, приливноволновую и т. д. Если сравнить все отрасли по экологическим, экономическим критериям и показателям безопасности, то можно прийти к выводу,
что наиболее перспективной из них является солнечная энергетика [4].
Солнечная энергия, поступающая на территорию России, например, за три дня превышает энергию годовой выработки. Кроме того, запасы ее неисчерпаемы и по критерию экологичности ей нет равных.
Учеными подсчитано, что небольшого процента солнечной энергии достаточно для обеспечения транспортных, промышленных и бытовых нужд как в настоящее время, так и в будущем. На энергетическом балансе Земли и состоянии биосферы это не отразится, независимо от того, будет ли энергия использована или нет.
Однако нельзя упустить из виду один значительный недостаток. Солнечные излучения, падая на земную поверхность, не имеют определенного места концентрации, поэтому ее необходимо уловить и превратить в форму энергии, которую было бы возможно использовать для нужд человека. Кроме того, чтобы поддержать энергоснабжение в ночное время суток и пасмурные дни, нужно каким-то образом солнечную энергию запасти. В настоящее время эта проблема легко решаема - главное правильно использовать данный ресурс, чтобы свести ее стоимость к минимуму. Тем более, учитывая каждодневное совершенствование технологий и удорожание, а главное, исчерпаемость традиционных ресурсов, солнечная энергия все больше и больше будет находить новые области применения [3]. Рассмотрим основные их них.
Солнцемобиль. Первый прототип транспортного средства на солнечных батареях появился в 1955 году в Чикаго благодаря Уильяму Коббу. Модель представляла собой конструкцию длиной немного больше фута и состояла из тринадцати селеновых фотоэлементов на крыше и маленького электромотора. Это была первая попытка в создании бесшумного и экологически чистого транспорта.
В конце 80-х годов XX века идея разрослась по всему миру. Идея бесспорно уникальная, но и довольно затратная. Для того чтобы солнцемобиль мог составить достойную конкуренцию автомобилю, необходимо использовать самые легкие и прочные конструкционные материалы, а также высокоэффективные системы электропривода, последние достижения в области электроники, гелио и электротехники и аэродинамики. Однако даже максимальной мощности солнечных батарей и электромоторов величиной 1,5-2 кВт не хватает для соперничества, поскольку эффективность доступных по цене фотоэлектрических преобразователей пока только 10 -12 %, а не 40-50 %.
Мобильная фотоэлектрическая станция. Мобильная фотоэлектрическая станция представляет собой автономный источник энергии и может быть использована как в полевых условиях, так и для стационарного потребления. Хотя, конечно, основным предназначением станции служит зарядка аккумуляторов [9].
Принцип действия мобильной фотоэлектрической станции заклю-
чается в прямом преобразовании солнечного излучения в электроэнергию посредством солнечных элементов. Станция состоит из 4-х модульных солнечных батарей, сборно-разборной конструкции и межмодульного кабеля.
Солнечные элементы, используемые в модулях, с лицевой стороны защищены светостойкой пленкой, а с тыльной стороны имеют жесткую подложку. Все это позволяет защитить их от механических повреждений и воздействий окружающей среды. Модули солнечных батарей удобны для хранения и транспортировки, так как они представляют собой удобную складную конструкцию. Если же говорить об электрических характеристиках, то помощью кабеля возможна коммутация параллельно всех модулей для зарядки аккумуляторов номинальным напряжением 12 В, а последовательно-параллельно для напряжения 24 В. Чтобы достичь напряжения в 48
В, необходимо все модули соединить собственными токовыводами в последовательную цепь.
Портативная система солнечного электропитания. Данная система предназначена преимущественно для питания бытовой и специальной аппаратуры постоянного тока, имеющих мощность до 60 Вт, и основывается на солнечных фотоэлектрических модулях. В состав портативной системы входят: солнечная батарея, герметизированная аккумуляторная батарея с контроллером заряда-разряда и устройством сигнализации, сетевой адаптер и светильник с люминесцентной лампой.
Среди особенностей системы можно выделить следующие:
- аккумулирование энергии, поступающей от различных источников, в том числе термоэлектрических, солнечных батарей и сетевого зарядного устройства;
- простота эксплуатации и сборки, технологичность, осуществляемые благодаря использованию электрических разъемов;
- небольшой вес и неоспоримая компактность, что немало важно для мобильности системы.
Солнечная кухня. Солнечная кухня представляет собой бытовую гелиоустановку, предназначенную для приготовления пищи. Основным элементом является гелиоконцентратор, который фокусирует солнечные лучи на поверхности приемника излучения - посуды, в которой готовится пища.
Зачастую гелиоконцентраторы, используемые для солнечной кухни, имеют невысокую точность фокусирования солнечного излучения, однако ее вполне достаточно для удобства в бытовом применении. Вращение вслед за видимым движением Солнца осуществляется вручную, а КПД установки достигает 55-60 %.
Если говорить о преимуществах использования солнечной кухни, то можно отметить ее компактность для использования в походных условиях, незаменимость при отсутствии газоснабжения и, безусловно, бюд-
жетность данной установки.
Светильники на солнечных батареях. Сегодня уже мало кого удивишь использованием фотоэлектрических систем для ночного освещения улиц, автострад и других территорий. Эти системы имеют автономное электроснабжение на базе солнечного модуля, что позволяет сделать освещение мало затратным.
Принцип действия таких систем не только надежен, но и прост. В течение светового дня фотоэлектрический элемент заряжает аккумуляторы, превращая солнечную энергию в электрическую. В ночное время светильник автоматически загорается и продолжает гореть до наступления рассвета.
На зарядку аккумуляторов интенсивность солнечного излучения не влияет, он способен заряжаться даже в пасмурную погоду, не говоря уже о зимнем сезоне.
В состав фотоэлектрической системы входит:
- фотоэлектрический модуль, преобразующий солнечный свет в электроэнергию;
- аккумулятор, накапливающий энергию. Обычно используются герметичные и необслуживаемые аккумуляторы, срок службы которых не превышает 10 лет;
- контроллер, который оптимизирует уровень зарядки/разрядки аккумулятора, автоматически включает освещение в ночное время и выключает в световой период;
- инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный;
- осветительный блок, включающий плафон и лампу.
Безусловно, все электронные приборы фотоэлектрической системы
снабжены защитой от короткого замыкания, перегрева и перегрузки, что обеспечивает надежность и эффективность работы системы.
В заключении отметим, что в настоящее время на территории России существует восемь предприятий, которые имеют технологии и производственные мощности для изготовления 2 МВт солнечных элементов и модулей в год. Развитие фотоэлектрической отрасли требует помимо традиционного и привычного кремния производство специального закаленного стекла с низким содержанием железа, алюминиевого проката и электронных регулирующих устройств. России такие производственные мощности на сегодняшний день доступны.
Потенциальные возможности солнечной энергетики чрезвычайно велики, и помимо большого числа положительных аспектов в пользу использования этого ресурса по сравнению с традиционной энергетики, как уже говорилось в начале, существует один главный недостаток. Несмотря на то, что для обеспечения всех энергетических потребностей мира необходимо и достаточно всего лишь 0,0125 % всего количества энергии Солнца, к сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциалы удастся
реализовать в больших масштабах. Во-первых, это невозможно по причине низкой интенсивности солнечного излучения. К примеру, чтобы коллекторы за год уловили энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человека, их нужно разместить на территории площадью 130000 км . И во вторых, использование такого большого числа коллекторов влечет за собой значительные материальные затраты [2, 5]. Возможно ситуация изменится в лучшую сторону, если удастся использовать более дешевые материалы для изготовления коллекторов.
Список литературы
1. Ахмедов Р.Б. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии / Ахмедов Р.Б. М.: Знание, 1988. 46 с.
2. Безруких П.П. Состояние и перспективы развития возобновляемой энергетики // Электрика. 2008. № 9. С. 3-10.
3. Ионов В.С. Солнечная энергетика уже давно не экзотика // Энергосбережение. 2006. № 6. С. 82-83.
4. Уделл С. Солнечная энергия и другие альтернативные источники энергии / Уделл С. М.: Знание, 1980. 88 с.
5. Шетов В.Х. Перспективы солнечного теплоснабжения // Энергосбережение. 2006. № 2. С. 98-99.
6. Дедух Д.Г. Достоинства и недостатки энергетики на нетрадиционном сырье // Актуальные проблемы современной науки. 2004. № 6.
С. 412-416.
7. Горбачева Л. А. Нам солнце строить и жить помогает // Энергия: экономика, техника, экология. 2010. № 1. С. 29-34.
8. http://www.bibliotekar.ru/alterEnergy/26.htm
9.http://www.avante.com.ua/rus/library/lib perspektiv soln energetiki.h
tm
Алехин Владимир Анатольевич, магистр, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE FIELD OF APPLICA TION OF SOLAR ENERGY V.A. Alekhin
This article considers the modern problem of mankind - the crisis of energy resources. This creates the need to use new sources, resorting to alternative energy. The main attention is paid to the areas of application of solar energy, as an environmentally friendly and renewable source of energy, also discusses the existing inventions, their design and principle of operation.
Key words: energy crisis, alternative energy, non-traditional renewable sources of energy, solar energy, mobile photovoltaic station, portable solar power, solar kitchen, solar street light, solar collectors, solar radiation.
Alekhin Vladimir Anatolievich, master, [email protected], Russia, Tula, Tula state University
УКД 621.311.24
ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ
Е.В. Алехина
Данная статья дает ответы на основные вопросы относительно ветроэнергетики. В ней рассмотрены такие аспекты, как преимущество ветровой энергии, что необходимо учитывать при создании ветроустановки и сколько электроэнергии она способна выработать, срок строительства и срок окупаемости ветроэлектростан-ций, качество ветровой энергии.
Ключевые слова: возобновляемая энергия, ветроустановка, ветроэнергетический кадастр, коэффициент готовности, срок энергетической окупаемости, коэффициент энергетической эффективности.
Вопрос о создании установок распределенного генерирования, использующих возобновляемые источники энергии и снижающих климатические и экологические изменения, уже давно стоит на повестке дня во всем мире. Наиболее быстрое развитие сектора возобновляемой энергии произошло в Германии, особенно за последний десяток благодаря стимулированию федеральным законом. На сегодняшний день Германия насчитывает более 21100 ветроустановок с заявленной мощностью около 25 ГВт. В России же ветровая энергетика только на первой стадии развития [4].
Почему именно ветер? Легко объяснимо. Во-первых, энергия ветра бесплатна и неограниченна по сравнению с традиционными ресурсами. Во-вторых, её использование не наносит ущерб экологии и не приводит к климатическим изменениям. Конечно, в ветроэнергетике как и в любой другой энергетике есть свои минусы. Основной из них - это неустойчивый характер ветровых потоков. Низкое прогнозирование скорости ветра -наиболее важная проблема в современной энергетике, отсюда и неустойчивая работа ветроустановок, но эти вопросы решаемы в перспективе.
Все же вернемся к самому понятию: что же такое ветер и как его можно измерить?
Ветром называют циркулярное перемещение воздушных масс, вызванное неравномерным нагревом земной поверхности, а также вращением Земли вокруг своей оси. По происхождению выделяют несколько видов ветров:
- ветры, связанные с особенностями нагревания земной поверхно-
8
