Солнечные батареи и солнечные коллекторы

Солнечные батареи и солнечные коллекторы
Солнечную энергию для обогрева домов использовали всегда. Становление современной «солнечной»
энергетики (гелиоэнергетики) произошло во второй половине XX в. и было обусловлено развитием
«космических» технологий.
Наиболее благоприятные условия для широкого использования солнечной энергии существуют на
территориях, южнее 50-й параллели. В России это южнее условной линии Воронеж-Саратов-Оренбург,
в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Преобразования солнечной энергии в тепловую или
электрическую энергию можно осуществлять при помощи трех основных технико-технологических
способов.

преобразовании солнечной энергии в тепловую с использованием солнечных коллекторовводонагревателей

преобразование солнечной энергии в тепловую с использованием «солнечной архитектуры»

преобразовании солнечной энергии в электрическую при помощи фотоэлектрических
преобразователей (солнечных батарей)
Установка фотоэлектрических модулей. Практические
советы
Настоящим
материалом
мы
открываем
цикл
статей
–
практических
советов
по
установке
фотоэлектрических модулей (солнечных батарей).
Могут ли фотоэлектрические модули (солнечные батареи) быть установлены на крыше моего дома?
Какие факторы нужно учитывать?
Наиболее важные вопросы для принятия положительного решения по размещению фотоэлектрических
элементов следующие:
- Есть ли подходящее место на здании, где солнечные батареи могут быть установлены?
- Имеется ли тип фотоэлектрической системы, который годится для ваших условий (с учётом климата,
типа здания и т.д.)?
- Требуется ли разрешение на установку солнечных батарей?
Фотоэлектрические модули могут быть размещены практически на любой поверхности здания, которая
получает достаточное количество солнечного света на протяжении большей части дня. Крыши
являются обычным местом для фотоэлектрических систем в домах, однако фотоэлектрические модули
также могут быть размещены на фасадах, балконах, стенах и даже окнах. Поверхность, на которой
предполагается размещение солнечных батарей, должна получать как можно больше солнечного света.
Чем
больше
света
будет
получать
поверхность
фотоэлектрического
модуля,
тем
больше
электроэнергии он сможет произвести.
Эффективность фотоэлектрического модуля зависит от 3 факторов:
1. Ориентация на стороны света
Размещение фотоэлектрического модуля предпочтительно должно быть сориентировано в секторе
между юго-западным и юго-восточном направленими. Южная экспозиция является наиболее
предпочтительной. Размещения “на север” следует избегать.
2. Угол наклона
При наклонном размещении поверхность фотоэлектрического модуля получает больше света, чем при
вертикальном или горизонтальном размещении. Угол наклона может быть в диапазоне от 15 до 90°.
Минимальный наклон в 15° обеспечивает естественную очистку поверхности фотоэлектрического
модуля от пыли во время осадков. В европейской части России оптимальным углом наклона является
диапазон 30-60° при южной экспозиции. Условно можно говорить о том, что оптимальный угол наклона
равен широте местности. Для восточной или западной экспозиции угол наклона меньше оптимального
для данной широты.
3. Затенённость
При монтаже фотоэлектрических элементов необходимо учитывать тени от близко стоящих деревьев
или построек. Наличие даже небольшой тени в течение дня может существенно снизить
производительность солнечной батареи. Если полностью избежать тени не удаётся, необходимо
проконсультироваться со специалистом монтажной компании по вопросу оптимального размещения
фотоэлектрического модуля.
Новые технологи использования солнечной энергии
Очевидная на сегодняшний день тенденция к снижению воздействия на окружающую среду, а также
боязнь истощения природных ресурсов возобновили в научном мире утраченный прежде интерес к
альтернативным источникам питания и к разработке отвечающих времени решений в области
солнечной энергии.
CSP
У большинства людей на сегодняшний день солнечная энергия ассоциируется с блестящими черными
панелями (фотогальванические элементами), установленными на крыше, поглощающими солнечную
энергию и преобразующими ее в электричество. Но такие панели на крышах жилых домов встречаются
довольно редко, не в последнюю очередь из-за чрезмерно высоких цен на приобретение и установку.
Однако кроме черных панелей, существует ряд способов захвата солнечной энергии в масштабах
значительно более крупных. Все больше и больше усилий исследователи фокусируют сейчас на
системах «концентрированной солнечной энергии» – сокращенно CSP (concentrated solar power).
В системах CSP солнечное излучение концентрируется оптическими деталями на участке, где
расположен ресивер. Солнечная энергия затем преобразуется в электрическую. На практике система
CSP состоит из четырех основных элементов: солнечного поля, элементов фокусировки лучей,
солнечного ресивера и преобразователя. Ряд проектов, основанных на этой идее, в данный момент
разрабатывается и уже тестируется.
Идея создания такого параболоида появилась еще в середине 1980-х гг. Самое знаменитое ее
воплощение – девять электростанций, построенных в Калифорнийской пустыне. Эти электростанции
работают и по сей день, вырабатывая 354 МВт энергии. Ряд проектов по солнечной энергии
запускается и в Европе. Лидером является Германия с десятью работающими солнечными
электростанциями.
На юге Испании располагается Platforma Solar de Almeria – компания, занимающаяся исследованиями и
тестированием в области технологий солнечной энергии. Главная используемая концепция при
возведении подобных сооружений – «центральная башня» – зеркала, называемые гелиостатами,
автоматически захватывают наибольшее количество солнечной энергии и концентрируют излучение
на центральном ресивере, расположенном на вершине башни.
Первая в Европе коммерческая солнечная электростанция, фокусирующая солнечные лучи, был
открыта в Севилье, Испания, в марте 2007 г. Станция получила название Planta Solar 10. 624 больших
гелиостата фокусируют солнечные лучи на едином солнечном ресивере высотой 115 м. При
максимальной температуре в 250°С солнечный ресивер подает воду в поток, который, который, в свою
очередь, снабжает энергией турбину. Турбина обладает пиковой мощностью в 11 МВт, что означает
выработку 23 млн кВт*ч электричества в год. Этого достаточно для снабжения 6 000 жилых домов и
экономии 18 000 т угля в год. Вторая башня, Planta Solar 20, пока находится на стадии постройки и
будет обладать пиковой мощностью в 20 МВт.
Однако использование панелей и башен не всегда необходимо для работы с солнечной энергии. Еще
один метод, «Энергетическая башня», был разработан четверть века назад.
Проект «Энергетическая башня»
Если проект покажет свою экономическую жизнеспособность, мы увидим одно из высочайших строений
на земле, которе затмит своими размерами даже 800-метровый небоскреб Burj Dubai в Объединенных
Арабских Эмиратах. Изначально запатентованный как «Энергетическая башня нисходящего водного
распыления» доктором Филиппом Карлсоном (Philip Carlson) в 1975 г., проект с 1982 г. был доработан и
улучшен профессором Дэном Заславски (Dan Zaslavsky) из Техниона (Technion), Израильского
технологического института в Хайфе.
«Энергетическая башня» производит электричество, накачивая воду на верхушку трубы и затем
распыляя ее внутри. В результате высокая температура на верхушке трубы заставляет воду
испаряться, охлаждая таким образом воздух и делая его плотнее. Этот охлажденный воздух затем
падает к стволу трубы, вызывая нисходящий поток, передающий энергию турбине.
Доктор Рами Гетта (Rami Guetta), менеджер проекта в Sharav Sluices Ltd (компании, основанной
профессором Заславски для разработки системы), рассказал, что эта технология вызвала огромный
интерес со стороны Австралии и США, однако до подписания контрактов еще не дошло: «Нам
потребуется еще от 18 месяцев до трех лет для подробной проработки технологии на предмет
выполнимости, чтобы вычислить себестоимость проекта и четко рассчитать затраты на возведение
башни».
В зависимости от местоположения, которое должно отвечать требованию горячего сухого климата и
относительной близостью к источнику воды, высота башни должна ранжироваться от минимума в 600 м
до небоскребных 1200 м.
«Солнечная башня»
Схожая идея, «Солнечная башня на восходящих потоках», также заимствует разработки прошлых лет.
Солнечная башня, предложенная австралийской фирмой EnviroMission и американской компанией
SolarMission Technologies – прямой потомок испанского прототипа 1982 г. Постройка 190-метровой
башни, окруженной коллекторами (укрытиями из чистого пластика, собирающими теплый воздух),
расположенной в испанском городе Мансаранесе, было детищем немецкого инженера Йорга Шлайха
(Jorg Schlaich).
Подобно «Энергетической башне», «Солнечная башня» использует воздух, чтобы вращать турбины и
предполагает доступность жаркого климата. Но вместо создания нисходящего холодного воздуха, она
использует горячий воздух из коллекторов и направляет его в трубу. Чтобы план был жизнеспособным,
высота трубы должна составлять примерно 1000 м, что, по заявлению фирмы EnviroMission, позволит
вырабатывать до 200 МВт энергии для 200 000 жилых домов. Критики проекта Солнечной башни
недовольны тем, что коллекторы займут слишком большую территорию (до 3 км по окружности), а также
тем, что это слишком дорого для осуществления.
По материалам MobileDevice.ru
Солнечные электростанции
Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли
за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана.
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.
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 C 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.
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.
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 градусов
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%.
Вдобавок к этому, благодаря модульному проектированию, такие системы
представляют собой оптимальный вариант для удовлетворения потребности в
электроэнергии как для автономных потребителей (в киловаттном диапазоне), так и для
гибридных (в мегаваттном), соединенных с электросетями коммунальных предприятий.
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.
Совместным использованием параболических зеркал и двигателей Стирлинга заинтересовались и
другие компании. Так, фирмы “Stirling Technology”, “Stirling Thermal Motors” и “Detroit Diesel” совместно с
корпорацией “Science Applications International Corporation” создали совместное предприятие с
капиталом 36 млн долларов с целью разработки 25-киловаттной системы на базе двигателя Стирлинга.
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 C.
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 C и проходит через
приемник, где нагревается до 565 C, 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.
“Solar Two” - башенная электростанция мощностью 10 МВт в Калифорнии - это прототип
крупных промышленных электростанций. Она впервые дала электричество в апреле 1996 г., что
явилось началом 3-летнего периода испытаний, оценки и опытной выработки электроэнергии для
демонстрации технологии расплавленных солей. Солнечное тепло сохраняется в расплавленной соли
при температуре 550 C, благодаря чему станция может вырабатывать электричество днем и ночью, в
любую погоду. Успешное завершение проекта “Solar Two” должно способствовать строительству таких
башен на промышленной основе в пределах мощности от 30 до 200 МВт.
Сопоставление технических характеристик
Башни и параболоцилиндрические концентраторы оптимально работают в составе крупных,
соединенных с сетью электростанций мощностью 30-200 МВт, тогда как системы тарельчатого типа
состоят из модулей и могут использоваться как в автономных установках, так и группами общей
мощностью в несколько мегаватт. Параболоцилиндрические установки - на сегодня наиболее развитая
из солнечных энергетических технологий и именно они, вероятно, будут использоваться в ближайшей
перспективе. Электростанции башенного типа, благодаря своей эффективной теплоаккумулирующей
способности, также могут стать солнечными электростанциями недалекого будущего. Модульный
характер “тарелок” позволяет использовать их в небольших установках. Башни и “тарелки” позволяют
достичь более высоких значений КПД превращения солнечной энергии в электрическую при меньшей
стоимости, чем у параболических концентраторов. Однако, остается неясным, смогут ли эти технологии
достичь необходимого снижения капитальных затрат. Параболические концентраторы в настоящее
время - уже апробированная технология, ожидающая своего шанса на совершенствование. Башенные
электростанции нуждаются в демонстрации эффективности и эксплуатационной надежности технологии
расплавленных солей при использовании недорогих гелиостатов. Для систем тарельчатого типа
необходимо создание хотя бы одного коммерческого двигателя и разработка недорого концентратора.
Солнечная энергия
Солнечную энергию использовали для обогрева домов ещё в Древней Греции. Солнечный
коллектор для подогрева воды был впервые сконструирован в XIX в. Становление же современной
«солнечной»
энергетики
(гелиоэнергетики)
произошло
уже
в
середине
XX
в.Наиболее
благоприятные условия для широкого использования солнечной энергии существуют на территориях,
южнее 50-й параллели (в России это южнее линии Воронеж-Саратов-Оренбург). Что же касается самого
её преобразования в тепловую или электрическую энергию, то его можно осуществлять при помощи
трёх технико-технологических способов.
Первый способ, который получил наиболее широкое распространение, – это теплоснабжение с
использованием солнечных коллекторов-водонагревателей, которые неподвижно устанавливают на
крышах домов под определённым углом к горизонту. Они обеспечивают нагрев теплоносителя (вода,
воздух, антифриз) на 40-50°С по сравнению с температурой окружающей среды. Их применяют также
для кондиционирования воздуха, сушки сельскохозяйственных продуктов, опреснения морской воды и
т.д. Больше всего таких установок теплоснабжения имеют США и Япония, но самая высокая плотность
их из расчёта на душу населения достигнута в Израиле и на Кипре. Так, в Израиле около 1 млн
солнечных коллекторов обеспечивают горячей водой свыше 70% жителей этой страны. Солнечные
коллекторы применяются также в Китае, Индии, ряде стран Африки (преимущественно для привода в
действие насосных установок).
Второй способ заключается в преобразовании солнечной энергии уже не в тепловую, а в
электрическую, причём «напрямую» – при помощи фотоэлектрических установок (солнечных
батарей) на кремниевой основе – наподобие тех, которые устанавливают на космических аппаратах.
Первая такая электростанция была сооружена в Калифорнии в 1981 г. Хотя получаемая при их помощи
электроэнергия продолжает оставаться ещё весьма дорогой (около 20 центов за 1 кВт*ч), некоторые
страны развернули широкую кампанию за установку солнечных батарей на крышах и фасадах домов.
Лидерство в этом деле захватила Япония, которая контролирует также около 1/3 мирового рынка
фотоэлектрических элементов.
Наконец, третий способ, также обеспечивающий превращение солнечной энергии в электрическую,
реализуется
при
помощи
сооружения
собственно
солнечных
подразделяются на два вида – башенные и параболические.
электростанций,
которые