CC BY
36
УДК 62
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
Васильева Екатерина Владимировна
Магистр, Высшая школа промышленного, гражданского и дорожного строительства
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Олехнович Янис Айгарсович
Старший преподаватель
Высшая школа промышленного, гражданского и дорожного строительства
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
kate. vasilyeva@mail. т
Данная статья посвящена исследованию солнечной энергетики. В настоящее время актуальность данной темы достаточно высока для всего человечества, так как вопрос применения новых энергосберегающих технологий взамен топливно-энергетическому ресурсу, остается одним из самых важных в наше время. Одним из эффективных альтернативных источников энергии - энергия солнца, которое мы и рассмотрели в данной статье. Солнечные батареи уже сейчас используются для питания самой разнообразной техники: от мобильных гаджетов до электромобилей. Она появилась сравнительно недавно, но уже успела обрести популярность в странах Европы, за счет высокой эффективности и приемлемой стоимости. В работе приведены описания семи различных инженерных подходов для получения солнечной генерации. Также подробно рассмотрена одна из них, а именно работа фотоэлектрических батарей. Описана работа данный батарей и типы по их предназначению.
Ключевые слова: солнечная энергетика, экология, фотоэлектрические батареи, низкопотенциальная энергия, источник энергии, энергосберегающие технологии
SOLAR ENERGY. THERMODYNAMIC INSTALLATIONS
Vasilyeva Ekaterina Vladimirovna
Master's degree, Higher School of Industrial, Civil and Road Construction
Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
Olekhnovich Yanis Aigarsovich
Senior Lecturer, Higher School of Industrial, Civil and Road Construction
Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
This article is devoted to the study of solar energy. At present, the relevance of this topic is quite high for all mankind, since the issue of using new energy-saving technologies instead of fuel and energy resources remains one of the most important in our time. One of the effective alternative energy sources is the energy of the sun, which we discussed in this article. Solar panels are already being used to power a wide variety of equipment: from mobile gadgets to electric vehicles. It appeared relatively recently, but has already managed to gain popularity in Europe, due to its high efficiency and reasonable cost. The paper provides descriptions of seven different engineering approaches for obtaining solar generation. One of them, namely the operation of photovoltaic batteries, is also considered in detail. The operation of these batteries and types according to their purpose are described.
Key words: solar energy, ecology, photovoltaic batteries, low-grade energy, energy source, energy-saving technologies.
Невозможно отрицать, что самым мощным и относительно бесконечным природным источником энергии, в том числе электрической, является Солнце.
Практическая повсеместная доступность
солнечной энергии открывает перед человечеством заманчивые перспективы замены большей части существующих электрических станций. Также вполне возможен полный переход человечества на
солнечную энергию. Этому способствует и довольно высокая предсказуемость появления Солнца на поверхности Земли (в отличие от ветра). Не менее большое значение имеет полная экологичность данного источника электроэнергии. Использование и
преобразование солнечных лучей не сопровождается загрязнением окружающей среды, что означает отсутствие расходов по восстановлению экологии в месте производства электроэнергии таким способом. Это подчеркивает важность разработки новых технологий, направленных на более эффективное использование данной энергии.
В настоящее время существует множество направлений развития в этой сфере. Новые разработки ввиду актуальности этого вида энергетики появляются каждые несколько месяцев. Однако ниже рассмотрим лишь те, которые имеют практическое применение на момент написания данной статьи.
Башенные. Их действие основано на водяном паре. Электростанция выглядит как круг из гелиостатов, в центре которых находится башня с резервуаром, заполненным водой. Зеркала гелиостатов отражают солнечные лучи, направляя на теплоприемник, находящийся в башне. На данный момент ведутся разработки по улучшению эффективности работы данных станций, поиск новых материалов и способов расположения теплоприемника, так как процесс сопровождается высоким температурным режимом и градиентов с характеристиками термодинамического процесса. Центральный приемник имеет трубчатую систему, которая может поглощать солнечную энергию в большом спектре, и минимизирует излучение в инфракрасном спектре. Его цель -преобразование солнечной энергии в тепловую. Металлические трубки, охлаждаемые специальной жидкостью, передают энергию на турбины, которые, в свою очередь, приходя в движение, начинают вырабатывать
электричество.
Тарельчатые. Имея в своей основе схожий принцип работы с башенной станцией, тарельчатая СЭС сконструирована несколько иначе. Станция представлена отдельными модулями, а приемник и отражатель объединены. Приемник расположен в месте, где предполагается нахождение отраженного света. Форма отражателя являет собой прототип тарелки. Количество модулей в данной станции может варьироваться.
Параболические. Также сходны по строению с предыдущими двумя СЭС. Данный вид электростанции использует
параболоцилиндрические зеркала, в фокусе которых металлические трубки, содержащие специальную жидкость, нагреваются до нужных значений, и далее также преобразовывающие
воду в пар для приведения в движение турбогенератора.
Тарельчатые и параболические солнечные электростанции не имеют повсеместного применения, так как их окупаемость возможна только при поступлении большого количества солнечной энергии. Используются в странах, близких к экваториальной зоне.
Фотоэлектрические. Данные
электростанции получили наибольшее распространение. Эти, так называемые солнечные, или фотобатареи, хорошо известны даже простому потребителю, так как сочетают в себе множество преимуществ: они доступны для использования практически в любом регионе (с различным сроком окупаемости), их размер может варьироваться в зависимости от назначения (от энергообеспечения частного дома до промышленного объекта), относительно низкая стоимость, простота установки (практически на любой поверхности), а также большой потенциал в дальнейшем увеличении мощности данной СЭС. Также хотелось бы отметить, что цена такого модуля с течением времени только снижается, причем высокими темпами. Суть работы данной станции заключается в установке в области, имеющей наибольший доступ к свету, ячеистого модуля, фотоэлектрические преобразователи которого превращают солнечную энергию в электрическую без промежуточных действий, связанных с водяным паром и турбогенераторами, что и объясняет вышеуказанные преимущества. Производимая ими электроэнергия постоянна, а также может быть использована совместно с традиционными источниками электроэнергии.
Комбинированные. Данный тип электростанции включает в себя компоновку из разных технологий, применяемых вместе. В зависимости от конкретного запроса комбинированная электростанция может удовлетворять не только нужды в самом электрическом токе как таковом, но также использоваться в качестве системы отопления и нагрева воды. К комбинированному типу СЭС относят также установку несколько технологически разных энергосистем в масштабах одного предприятия или некоторой области.
Аэростатные. Данная технология солнечной электростанции решает проблему погодных условий, так как модули располагаются в специальных дирижаблях-аэростатах на расстоянии не менее 20км от земли. Повороты модулей к солнцу осуществляются с помощью гироскопов. Их может быть несколько в одном дирижабле. Работа такой СЭС заключается в нагреве водяного пара в баллоне, пропускающим солнечные лучи с одной стороны, и покрытым селективным слоем с другой. Высокая температура пара внутри баллона обеспечивает
бесперебойную работу паровой турбины в любое время суток.
Солнечно-вакуумные. Использование стекла для нагревания воздуха является самой доступной технологией, известной со времен изобретения стекла. С появлением возможности создания вакуумного пространства данная технология расширилась до изобретения СЭС такого типа. Данная электростанция выглядит как высокая башня (ее высота напрямую зависит от ее мощностей), установленная посреди специальной оранжереи. Башня используется для генерации воздушных потоков с помощью солнечной энергии, которые передаются на воздушную турбину с электрогенератором, находящихся у основания конструкции. Суть оранжереи состоит в нагреве земли. Такая технология позволяет практически
бесперебойную работу данной СЭС.
Далее мы будем рассматривать только третий тип СЭС на фотоэлектрических батареях, как наиболее перспективный и наиболее популярный.
Обсудим подробнее принцип работы солнечных батарей. По принципы работы она представляет собой фотоэлектрический генератор неизменного тока, который преобразует лучистую энергию в электрическую. Если быть более точными, то в солнечных батареях используют полупроводники на базе кристаллов кремния. Кванты света, попадая на пластину полупроводника, выбивают электрон с внешней орбиты атома данного химического элемента, что создает достаточное количество свободных электронов для возникновения электрического тока. Однако для того, чтобы напряжения и мощности такого источника было достаточно для применения в хозяйственных целях, одного или двух кремниевых элементов недостаточно. Поэтому их собирают в целые панели, где соединяют параллельно или последовательно. При этом площадь таких панелей может составлять он нескольких квадратных сантиметров до нескольких квадратных метров. Увеличивая количество панелей, можно добиться большей производимой мощности солнечной батареей.
Существует большое количество различных вариаций моделей станций такого типа: по способу размещения, по типу слежения за солнцем, по уровню гибридности, по типу используемой технологии, по применению и пр. В данной статье хотелось бы выделить их различия по предназначению, так как данная типология наиболее широко охватывает все нюансы и различия данных СЭС.
Итак, первыми рассмотрим малые мобильные электростанции. Они являются автономными, отличаются компактностью и небольшим весом. Это обуславливает небольшие затраты на их перемещение. Однако небольшие размеры напрямую влияют на мощность, такие
станции могут быть использованы только для зарядки небольших аккумуляторов или приборов, имеющих малое потребление.
Характеристики данного типа: Мощность: < 500 Вт; Масса: < 20 кг; Площадь развернутых панелей: < 2 м2.
Далее, идут резервные маломощные СЭС. Данные электростанции включаются в снабжение электросетей в случае нехватки электроэнергии при авариях, сбоях и других ситуациях на основных электростанциях. Их мощности хватает на поддержание исправной работы приборов до 24 часов. Комплектуются аккумуляторной батареей (АКБ).
Характеристики данного типа: Мощность: 0,5 - 3,0 кВт; Масса: 25 - 150 кг; Площадь развернутых панелей: < 25 м2.
Следующими идут автономные солнечные электростанции. Данные станции имеют довольно высокую мощность, также имеют в комплекте АКБ, что позволяет им функционировать без критического снижения мощности даже в случае длительного отсутствия солнечной энергии. Такие станции используются нечасто ввиду их высокой цены, однако являются очень популярными в случаях отсутствия или перебойной работы основных электросетей.
Характеристики данного типа: Мощность: 5,0 - 30,0 кВт; Площадь развернутых панелей: 25 - 225 м2.
Следующими рассмотрим сетевые СЭС. Данные электростанции могут имеют любой размер и мощность, в зависимости от количества панелей и площади занимаемого пространства. В некоторых странах используются совместно с традиционными электростанциями. В таком случае конечному зачастую потребителю предлагают «зеленую» или «обычную» электроэнергию на выбор. Люди, которые заинтересованы в экологической ситуации в стране или в мире, таким образом поддерживают затраты на так называемую, экологичную электроэнергию, так как ее стоимость превышает стоимость электричества традиционной СЭС.
Последними рассмотрим гибридные СЭС. Автономные модули используются совместно с основными электросетями. При наличии солнечной энергии, такие сети являются ведущими поставщиками
электричества. В темное время суток или при недостатке солнечных лучей, в работу вступает электричество от традиционных СЭС. В случае аварийной ситуации также могут быть использованы аккумуляторные батареи, накапливающие электроэнергию во время интенсивной генерации электроэнергии. Это позволяет обеспечить бесперебойную работу электросетей при любых обстоятельствах, а также выгодно экономически, особенно в странах с высокими показателями солнечности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Принцип работы солнечных батарей [Электронный ресурс]. - Режим доступа: -https://akvalend.ua/blGg/printsip-raboty-solnechnykh-batarey/.
2. Солнечная кровля [Электронный ресурс]. - Режим доступа: -https://krysha.Gd.ua/site/krovelnie-rabGty/sGlnechnaya-krovlya/.
3. Фотовольтаические панели [Электронный ресурс]. - Режим доступа: -https://md.all.biz/fotovoltaicheskie-paneli-g129103.
4. Солнечные батареи для частного дома [Электронный ресурс]. - Режим доступа: -www.ingloryservice.com/2013/02/28/солнечные-батареи-для-частного-дома/.
5. Солнечная энергия - почему одни её любят, а другие... [Электронный ресурс]. - Режим доступа: - Zen.yandex.ru/media/id/5f4e36fb4ceb137c3d56a2b0/so...729c4c403024380f2d54.
