Solární energie je řešením budoucnosti. Solární elektrárny. Perspektivy solární energie Jak se využívá sluneční energie

Sluneční záření je pohlcováno zemským povrchem, oceány (pokrývají asi 71 % zemského povrchu) a atmosférou. Absorpce sluneční energie prostřednictvím atmosférické konvekce, vypařování a kondenzace vodní páry je hnací silou koloběhu vody a pohání větry. Sluneční paprsky pohlcované oceánem a pevninou udržují průměrnou teplotu na povrchu Země, která je nyní 14 °C. Prostřednictvím rostlinné fotosyntézy lze sluneční energii přeměnit na chemickou energii, která se ukládá jako jídlo, dřevo a biomasa, která se nakonec změní na fosilní paliva.

Související videa

Vyhlídky na použití

Sluneční energie je zdrojem energie větru, vody, mořského tepla, biomasy a také příčinou vzniku rašeliny, hnědého a uhlí, ropy a zemního plynu v průběhu tisíciletí, ale tato nepřímá energie byla nashromážděna přes tisíce a miliony let. Sluneční energii lze také přímo využít jako zdroj elektřiny a tepla. K tomu je potřeba vytvořit zařízení, která koncentrují energii Slunce na malé plochy a v malých objemech.

Celkové množství sluneční energie absorbované atmosférou, povrchem země a oceánem je přibližně 3 850 000 exajoulů (EJ) za rok. Za jednu hodinu je to více energie, než kolik spotřeboval celý svět za celý rok 2002. Fotosyntéza potřebuje k produkci biomasy asi 3 000 EJ ročně. Množství sluneční energie, které se dostane na zemský povrch, je tak velké, že za rok přibližně zdvojnásobí veškerou energii, kterou lze potenciálně vyrobit ze všech neobnovitelných zdrojů: uhlí, ropy, uranových rud.

Množství sluneční energie, kterou může člověk potenciálně využít, se liší od množství energie, která se nachází v blízkosti zemského povrchu. Faktory, jako jsou denní/noční cykly, oblačnost a dostupný povrch země, snižují množství energie dostupné pro použití.

Geografická poloha ovlivňuje energetický potenciál, protože oblasti blíže rovníku berou velké množství solární radiace. Použití fotovoltaických zařízení, která dokážou měnit svou orientaci v souladu s polohou Slunce na obloze, však může výrazně zvýšit potenciál sluneční energie v oblastech vzdálených od rovníku.

Dostupnost půdy výrazně ovlivňuje potenciální produkci energie, protože solární panely lze instalovat pouze na pozemcích, které jsou k tomu vhodné a nejsou využívány k jiným účelům. Vhodným místem pro instalaci panelů jsou například střechy.

Solární systémy se dělí na aktivní a pasivní, podle způsobu absorbování sluneční energie, jejího zpracování a distribuce.

Aktivní solární technologie využívají fotovoltaiku, koncentrovanou sluneční energii (Angličtina), solární kolektory, čerpadla a ventilátory pro přeměnu slunečního záření na užitečný energetický výstup. Mezi pasivní solární technologie patří použití materiálů s příznivými tepelnými charakteristikami, řešení místností s přirozenou cirkulací vzduchu a výhodná poloha budov vůči poloze Slunce. Aktivní solární technologie zvyšují dodávky energie, zatímco pasivní solární technologie snižují potřebu dalších zdrojů energie.

V této době fungují topná zařízení, která akumulují sluneční energii, stejně jako prototypy elektromotorů a automobilů využívajících sluneční energii.

Předpokládá se, že solární energie nebude do konce století představovat více než 1 % celkové spotřeby energie. Již v roce 1870 byl v Chile postaven solární destilátor. mořskou vodou, která produkovala až 30 tun sladké vody denně a fungovala více než 40 let. Díky použití heteropřechodů dosahuje účinnost solárních článků již 25 %. Byla zahájena výroba solárních baterií ve formě dlouhé polykrystalické silikonové pásky, které mají účinnost více než 10 %.

Termální energie

Technologie, které využívají Termální energie slunce, lze použít pro ohřev vody, vytápění, chlazení prostor a výrobu procesního tepla.

K roku 2007 byl celkový instalovaný výkon solárních systémů na ohřev vody přibližně 154 tepelných GW. Čína je světovým lídrem v této oblasti, v roce 2006 nainstalovala 70 GW tepelné energie a do roku 2020 si klade za cíl dosáhnout 210 GW tepelné energie. Izrael a Kypr jsou světovými lídry v používání solárních systémů pro ohřev vody na obyvatele, přičemž 90 % domácností je má instalováno. V USA, Kanadě a Austrálii se solární ohřívače vody používají převážně k ohřevu bazénů s instalovaným výkonem od roku 2005 asi 18 GWh.

Vytápění, chlazení a větrání

Vaření

Solární pece využívají sluneční světlo k vaření, sušení a pasterizaci. Lze je rozdělit do tří širokých kategorií: skříňové trouby (angl. skříňové sporáky), panelové trouby (angl. panelové sporáky) a reflexní trouby (angl. reflektorové sporáky). Nejjednodušší solární pec je box-komora, kterou poprvé postavil Horace Benedict de Saussure v roce 1767. Jednoduchá skříňová trouba se skládá z izolované nádoby s průhledným víkem. Lze jej efektivně použít při částečně zatažené obloze a běžně dosahuje teplot 90-150°C. Panelová pec pomocí reflexního panelu nasměruje sluneční paprsky na izolovanou nádobu a dosáhne teploty srovnatelné s krabicovou pecí. Reflektorové pece používají různé geometrie reflektorů (miska, koryto, Fresnelova zrcadla) k zaostření paprsků na nádobu. Tyto pece dosahují teploty 315 °C, ale vyžadují přímý paprsek a musí být přemístěny, když Slunce mění polohu.

Procesní teplo

Úprava vody

Solární odsolování lze použít k přeměně slané nebo brakické vody na vodu pitnou. Poprvé byl příklad takové transformace zaznamenán arabskými alchymisty 16. století. První rozsáhlý solární projekt odsolování byl postaven v roce 1872 v chilském hornickém městě Las Salinas. Závod, který měl plochu solárních kolektorů 4700 m2, dokázal vyrobit až 22 700 litrů pitné vody a zůstal v provozu 40 let. Jednotlivé destilační návrhy zahrnují jednospádový, dvousklonový (skleníkový nebo typový), vertikální, kónický, obrácený absorbér, multiknot a vícenásobný efekt. . Tyto vodárny mohou pracovat v pasivním, aktivním a hybridním režimu. Jednotky s dvojitým sklonem jsou nákladově nejefektivnější pro potřeby decentralizovaných domácností, zatímco aktivní jednotky s více efekty jsou vhodnější pro projekty velkého rozsahu.

Sluneční energii lze využít ve středně velkých čistírnách odpadních vod bez použití chemikálií a nákladů na energii. Dalším přínosem pro životní prostředí je, že řasy žijí v takových rybnících a spotřebovávají oxid uhličitý prostřednictvím fotosyntézy, ačkoli mohou produkovat toxické látky, které činí vodu nevhodnou ke konzumaci.

Výroba elektřiny

Solární energie funguje tak, že přeměňuje sluneční světlo na elektřinu. To se může stát buď přímo, pomocí fotovoltaiky, nebo nepřímo pomocí koncentrovaných solárních systémů. (Angličtina), ve kterém čočky a zrcadla shromažďují sluneční světlo z velké oblasti do tenkého paprsku a sledovací mechanismus sleduje polohu Slunce. Fotovoltaika přeměňuje světlo na elektrický proud pomocí fotoelektrického jevu.

Očekává se, že solární energie se do roku 2050 stane největším zdrojem elektřiny, přičemž fotovoltaika a koncentrovaná solární energie budou představovat 16 % a 11 % celosvětové výroby elektřiny.

Komerční elektrárny využívající koncentrovanou sluneční energii se poprvé objevily v 80. letech 20. století. Po roce 1985 instalace tohoto typu SEGS (Angličtina) v Mohavské poušti (Kalifornie) se 354 MW stala největší solární elektrárnou na světě. Mezi další solární elektrárny tohoto typu patří SPP Solnova (Angličtina)(150 MW) a SPP Andasol (Angličtina)(100 MW), oba ve Španělsku. Mezi největší fotovoltaické elektrárny (Angličtina): Agua Caliente Solar Project (250 MW) v USA a Charanka Solar Park (221 MW) v Indii. Projekty nad 1 GW jsou ve vývoji, ale většina fotovoltaických instalací do 5 kW je malých a umístěných na střechách.Od roku 2013 tvořila solární energie méně než 1 % elektřiny v celosvětové síti.

Architektura a urbanismus

Přítomnost slunečního světla ovlivňovala design budov od samého počátku historie architektury. Pokročilé metody solární architektury a urbanismu poprvé představili staří Řekové a Číňané, kteří orientovali své domy na jih, aby jim poskytovali světlo a teplo.

Zemědělství a rostlinná výroba

viz také

Poznámky

1. Smil (1991), str. 240
2. Radiační a světelný režim
3. Přirozené působení klimatického systému. Mezivládní panel pro změnu klimatu. Staženo 29. září 2007.
4. Somerville, Richard. Historický přehled vědy o změně klimatu (PDF). Mezivládní panel pro změnu klimatu. Staženo 29. září 2007.
5. Vermassi, Wime.Úvod do fotosyntézy a jejích aplikací. Arizona State University. Staženo 29. září 2007.
6. Smil (2006), str. 12
7. http://www.nature.com/nature/journal/v443/n7107/full/443019a.html
8. Powering the Planet: Chemické výzvy ve využití solární energie (PDF). Staženo 7. srpna 2008.
9. Přeměna energie organismy fotosyntetická . Organizace OSN pro výživu a zemědělství. Staženo 25. května 2008.
10. Vývojové diagramy Exergy - GCEP. stanford.edu.
11. Archer, Cristina. Hodnocení globální větrné energie. Stanford. Staženo 3. června 2008.
12. . Laboratoř obnovitelné a vhodné energie. Staženo 6. prosince 2012.
13. Celková spotřeba primární energie . Správa energetických informací. Staženo 30. června 2013.
14. Celková čistá spotřeba elektřiny. Správa energetických informací. Staženo 30. června 2013.
15. Energie a výzva udržitelnosti (PDF). Rozvojový program OSN a Světová energetická rada(září 2000). Staženo 17. ledna 2017.

Co se nazývá solární energie? Je to energie produkovaná sluncem ve formě světla a tepla. Kromě toho existují sekundární formy sluneční energie, jako je energie větru a vln. Všechny tyto druhy energie tvoří většinu obnovitelné energie Země.

Země přijímá 174 petawattů (PW) slunečního záření v horních vrstvách atmosféry. 30 % se odráží zpět do vesmíru, zatímco zbytek je pohlcen mraky, oceány a pevninou. Zemský povrch, oceány a atmosféra pohlcují sluneční záření což zvyšuje jejich teplotu. Teplý vzduch obsahující vodu z oceánů stoupá vzhůru a způsobuje konvekci. Když vzduch dosáhne vysoké nadmořské výšky, kde je nízká teplota, vodní pára kondenzuje do mraků a způsobuje déšť. Latentní teplo kondenzace vody zvyšuje konvekci a vytváří vítr. Energie je absorbována oceány a pevninou a udržuje povrch na průměrné teplotě asi 14 C.

Zelené rostliny přeměňují sluneční energii do chemické energie prostřednictvím fotosyntézy. Výroba našich potravinářských výrobků je zcela závislá na solární energii. Po jejich životě rostliny na Zemi umírají a rozkládají se, takže sluneční energie poskytuje biomasu, která vytvořila fosilní paliva, která známe.

Způsoby využití solární energie

Lidé nejvíce využívají sluneční energii různé formy: pro vytápění a chlazení, výrobu pitné vody, destilaci, dezinfekci, osvětlení, výrobu teplé vody a vaření. Způsoby, jakými lze sluneční energii využít, jsou omezeny pouze lidskou vynalézavostí.

Solární technologie jsou buď pasivní nebo aktivní, v závislosti na způsobu zachycení energie, která se následně přemění a šíří.

Aktivní solární technologie

Aktivní solární technologie zahrnují fotovoltaické panely a solární tepelné kolektory.

Pasivní solární technologie

Mezi pasivní metody patří orientace budovy ke slunci pro maximalizaci denního světla a tepla a výběr materiálů se správnými tepelnými vlastnostmi.

Naši současnou závislost na fosilních palivech pomalu nahrazují alternativní zdroje energie. Některá paliva se možná časem stanou nepoužitelnými, ale solární energie nikdy nezastará, nebude řízena cizími mocnostmi a nikdy nedojde. Slunce využívá vlastní zásoby vodíku, bude vyrábět užitečnou energii, dokud nevybuchne. Výzvou, před kterou lidé stojí, je zachytit tuto energii, zatím nejvíce jednoduchým způsobem k tomu zůstává používání fosilních paliv.

Sluneční energie dává život všemu životu na Zemi. Pod jeho vlivem se voda z moří a oceánů vypařuje, mění se ve vodní kapky, tvoří se mlhy a mraky. Výsledkem je, že tato vlhkost opět padá na Zemi a vytváří konstantní cyklus. Neustále proto pozorujeme sníh, déšť, mráz nebo rosu. Obrovský topný systém vytvořený sluncem umožňuje nejoptimálnější rozložení tepla po povrchu Země. Abychom těmto procesům správně porozuměli a využili je, je třeba si představit zdroj sluneční energie a co určuje její vliv na naši planetu.

Druhy solární energie

Za hlavní typ energie vyzařované Sluncem je považována zářivá energie, která má přímý dopad na všechny nejdůležitější procesy probíhající na Zemi. Pokud s ní porovnáme jiné pozemské zdroje energie, pak jsou jejich zásoby nekonečně malé a neumožňují vyřešit všechny problémy.

Slunce je ze všech hvězd nejblíže Zemi. Ve své struktuře je to plynová koule, mnohonásobně větší než průměr a objem naší planety. Vzhledem k tomu, že rozměry plynové koule jsou spíše libovolné, považuje se za její hranice sluneční kotouč viditelný ze Země.

Zdroj a fyzikální vlastnosti sluneční energie

Všechny procesy probíhající na Slunci lze pozorovat pouze na jeho povrchu. Hlavní reakce se však odehrávají v jeho interiéru. Ve skutečnosti se jedná o obří jadernou elektrárnu s tlakem asi 100 miliard atmosfér. Zde se za podmínek složitých jaderných reakcí vodík přeměňuje na helium. Právě tyto reakce tvoří hlavní energetický zdroj slunce. Vnitřní teplota se v průměru pohybuje kolem 16 milionů stupňů.

Plyn zuřící uvnitř Slunce má nejen ultra vysokou teplotu, ale je také extrémně těžký, s hustotou mnohonásobně větší, než je průměrná sluneční hustota. Zároveň vzniká rentgenové záření, které při přiblížení k Zemi zvětšuje délku svých vln a snižuje frekvenci kmitů. Postupně se tak stávají viditelným a ultrafialovým světlem.

Při vzdalování se od středu se mění charakter vyzařované energie, ovlivňující teplotu. Dochází k pozvolnému poklesu nejprve na 150 tisíc stupňů. Ze Země je dobře viditelný pouze vnější sluneční obal, tzv. fotosféra. Jeho tloušťka je přibližně 300 km a teplota horní vrstvy klesá na 5700 stupňů.

Nad fotosférou se nachází sluneční atmosféra, která se skládá ze dvou částí. Spodní vrstva se nazývá chromosféra a horní vrstva, která nemá žádné hranice, je sluneční koróna. Zde se plyny zahřívají na několik milionů stupňů pod vlivem rázových vln obrovské síly.

solární energie

Parametry slunečního záření

V první řadě je nutné vyhodnotit potenciální energetické možnosti slunečního záření. Tady nejvyšší hodnotu má svůj celkový měrný výkon na zemském povrchu a rozložení tohoto výkonu v různých rozsazích záření.

Síla slunečního záření

Radiační výkon Slunce, které se nachází v zenitu, blízko zemského povrchu se odhaduje na asi 1350 W/m2. Jednoduchý výpočet ukazuje, že k získání výkonu 10 kW je potřeba sbírat sluneční záření z plochy pouhých 7,5 m2. Ale to je za jasného odpoledne v tropickém pásmu vysoko v horách, kde je atmosféra řídká a křišťálově čistá. Jakmile se Slunce začne naklánět k obzoru, dráha jeho paprsků atmosférou se zvyšuje, respektive a ztráty na této dráze rostou. Přítomnost prachu nebo vodní páry v atmosféře, a to i v množství, které je bez speciálních zařízení nepostřehnutelné, dále snižuje tok energie. I v prostředním pruhu v letním odpoledni však na každý metr čtvereční orientovaný kolmo na sluneční paprsky připadá tok sluneční energie o výkonu přibližně 1 kW.

Samozřejmě i malá oblačnost drasticky snižuje energii dosahující povrchu, zejména v infračervené (tepelné) oblasti. Část energie však stále proniká skrz mraky. Ve středním pruhu při velké oblačnosti v poledne se výkon slunečního záření dopadajícího na zemský povrch odhaduje na cca 100 W/m2 a jen výjimečně, při obzvlášť husté oblačnosti, může klesnout pod tuto hodnotu. Je zřejmé, že v takových podmínkách je pro získání 10 kW nutné zcela, bez ztrát a odrazů, sbírat sluneční záření ne ze 7,5 m2 zemského povrchu, ale z celých sta metrů čtverečních (100 m2).

Tabulka ukazuje stručné zprůměrované údaje o energii slunečního záření pro některá města Ruska s přihlédnutím ke klimatickým podmínkám (frekvence a síla oblačnosti) na jednotku vodorovného povrchu. Podrobnosti o těchto údajích, další údaje pro orientaci panelů jiné než horizontální, jakož i údaje pro ostatní regiony Ruska a země bývalého SSSR jsou uvedeny na samostatné stránce.

Pevný panel, umístěný v optimálním úhlu sklonu, je schopen absorbovat 1,2 .. 1,4krát více energie ve srovnání s horizontálním, a pokud se otáčí za Sluncem, pak nárůst bude 1,4 .. 1,8krát. To lze vidět, rozdělené podle měsíců pro pevné panely orientované na jih pod různými úhly sklonu a pro systémy, které sledují pohyb Slunce. Vlastnosti umístění solárních panelů jsou podrobněji diskutovány níže.

Přímé a difúzní sluneční záření

Rozlišujte mezi difúzním a přímým slunečním zářením. Pro efektivní pohlcování přímého slunečního záření musí být panel orientován kolmo na tok slunečního záření. Pro vnímání rozptýleného záření není orientace tak kritická, protože přichází poměrně rovnoměrně z téměř celé oblohy - takto je zemský povrch osvětlen v zamračených dnech (z tohoto důvodu za oblačného počasí nemají objekty jasně definovaný stín a svislé povrchy, jako jsou sloupy a stěny domů, prakticky nevrhají viditelný stín).

Poměr přímého a rozptýleného záření silně závisí na povětrnostních podmínkách v různých ročních obdobích. Například v Moskvě je zima zatažená a v lednu překračuje podíl rozptýleného záření 90 % celkového slunečního záření. Ale i v moskevském létě tvoří rozptýlené záření téměř polovinu veškeré sluneční energie dopadající na zemský povrch. Přitom ve slunném Baku, jak v zimě, tak v létě, je podíl rozptýleného záření 19 až 23 % z celkového oslunění a asi 4/5 slunečního záření je přímé. Další podrobnosti o poměru rozptýleného a celkového oslunění pro některá města jsou uvedeny na samostatné stránce.

Rozložení energie ve slunečním spektru

Sluneční spektrum je prakticky spojité v extrémně širokém frekvenčním rozsahu – od nízkofrekvenčních rádiových vln až po ultravysokofrekvenční rentgenové záření a gama záření. Samozřejmě je obtížné je stejně efektivně zachytit odlišné typy záření (to lze snad jen teoreticky pomocí „ideálního absolutně černého tělesa“). To ale není nutné – za prvé Slunce samo vyzařuje různou sílu v různých frekvenčních pásmech a za druhé ne vše, co Slunce vyzařovalo, se dostane na zemský povrch – určité části spektra jsou z velké části pohlcovány různými složkami atmosféry – především ozonová vrstva, vodní pára a oxid uhličitý.

Stačí nám tedy určit ty frekvenční rozsahy, ve kterých je pozorován největší tok sluneční energie v blízkosti zemského povrchu, a využít je. Tradičně se sluneční a kosmické záření odděluje nikoli frekvencí, ale vlnovou délkou (to je způsobeno příliš velkými exponenty pro frekvence tohoto záření, což je velmi nepohodlné - viditelné světlo v hertzech odpovídá 14. řádu). Podívejme se na závislost rozložení energie na vlnové délce pro sluneční záření.

Rozsah viditelného světla je definován jako rozsah vlnových délek od 380 nm (hluboce fialová) do 760 nm (sytě červená). Vše, co má kratší vlnovou délku, má vyšší fotonovou energii a dělí se na oblasti ultrafialového, rentgenového a gama záření. Navzdory vysoké energii fotonů se v těchto rozsazích nenachází tolik fotonů, takže celkový energetický příspěvek této části spektra je velmi malý. Vše, co má delší vlnovou délku, má menší fotonovou energii než viditelné světlo a dělí se na infračervenou oblast (tepelné záření) a různé části rádiového dosahu. Z grafu je patrné, že v infračervené oblasti vyzařuje Slunce téměř stejné množství energie jako ve viditelné (hladiny jsou nižší, ale rozsah je širší), ale v oblasti rádiových frekvencí je energie záření velmi malá.

Z energetického hlediska tedy stačí, když se omezíme na viditelné a infračervené frekvenční rozsahy a také blízké ultrafialové (někde do 300 nm je tvrdé ultrafialové záření kratších vln téměř úplně absorbováno v tzv. ozonová vrstva, zajišťující syntézu právě tohoto ozonu ze vzdušného kyslíku) . A lví podíl sluneční energie dopadající na zemský povrch je soustředěn v rozsahu vlnových délek od 300 do 1800 nm.

Omezení při využívání solární energie

Hlavní omezení spojená s využíváním solární energie jsou způsobena její nestálostí – solární instalace nefungují v noci a jsou neúčinné při zatažené obloze. To je zřejmé téměř každému.

Pro naše spíše severní zeměpisné šířky je však důležitá ještě jedna okolnost – jde o sezónní rozdíly v délce dne. Pokud pro tropické a rovníkové zóny délka dne a noci slabě závisí na ročním období, pak již v zeměpisné šířce Moskvy je nejkratší den téměř 2,5krát kratší než nejdelší! Nemluvím o polárních oblastech... Výsledkem je, že za jasného letního dne může solární zařízení u Moskvy vyrobit o nic méně energie než na rovníku (Slunce je níže, ale den je delší). V zimě, kdy je potřeba energie obzvlášť vysoká, se však její produkce naopak několikanásobně sníží. Koneckonců, kromě krátkého denního světla by paprsků nízkého zimního slunce i v poledne mělo procházet mnohem více tlustá vrstva atmosférou a proto ztrácí po cestě podstatně více energie než v létě, kdy je slunce vysoko a paprsky procházejí atmosférou téměř vertikálně (výraz „studené zimní slunce“ má nejpřímější fyzikální význam). To však vůbec neznamená, že solární instalace ve středním pruhu a dokonce i v mnohem severnějších regionech jsou zcela zbytečné - v zimě jsou sice málo použitelné, ale právě během dlouhé dny, minimálně půl roku mezi jarní a podzimní rovnodenností jsou docela účinné.

Obzvláště zajímavé je použití solárních instalací k pohonu stále širšího rozšíření tra-n-nya-y-shchi-sya, ale velmi „obžerských“ klimatizací. Koneckonců, čím silněji slunce svítí, tím je tepleji potřebují klimatizaci. Ale v takových podmínkách jsou i solární instalace schopny generovat více energie a tuto energii využije klimatizace přesně „tady a teď“, není třeba ji akumulovat a skladovat! Navíc není vůbec nutné převádět energii do elektrické formy - absorpční tepelné motory využívají teplo přímo, což znamená, že místo fotovoltaických baterií lze použít solární kolektory, nejúčinnější právě v čiré teplé počasí. Pravda, věřím, že klimatizace jsou nepostradatelné pouze v horkých suchých oblastech a ve vlhkém tropickém podnebí, stejně jako v moderních městech, bez ohledu na jejich umístění. Kompetentně navržený a postavený venkovský dům nejen ve středním pruhu, ale také na většině jihu Ruska nepotřebuje takové energeticky žravé, objemné, hlučné a náladové zařízení.

Bohužel v podmínkách městské zástavby je individuální využití více či méně výkonných solárních instalací s nějakým citelným praktickým přínosem možné jen v ojedinělých případech zvlášť šťastné souhry okolností. Městský byt však nepovažuji za plnohodnotné bydlení, jelikož na jeho běžném fungování příliš záleží velký počet faktory, které nejsou dostupné přímé kontrole obyvatel z čistě technických důvodů, a proto v případě výpadku alespoň jednoho ze systémů podpory života moderního bytového domu na více či méně dlouhou dobu budou podmínky tamní doživotně nepřijatelné (byt ve výškové budově je spíše třeba považovat za jakýsi hotelový pokoj, který si nájemníci koupili k trvalému užívání nebo pronajali od obce). Ale mimo město Speciální pozornost solární energie může být více než oprávněná i na malém pozemku o rozloze 6 akrů.

Vlastnosti umístění solárních panelů

Volba optimální orientace solárních panelů je jednou z kritické problémy při praktickém využití solárních instalací jakéhokoli typu. Bohužel na různých webech o solární energii se o tomto aspektu mluví velmi málo, i když jeho zanedbání může snížit účinnost panelů na nepřijatelnou úroveň.

Faktem je, že úhel dopadu paprsků na povrch značně ovlivňuje koeficient odrazu a následně i podíl nepřijaté sluneční energie. Například u skla se při odchylce úhlu dopadu od kolmice k jeho povrchu až o 30° koeficient odrazu prakticky nemění a činí o něco méně než 5 %, tzn. více než 95 % dopadajícího záření prochází dovnitř. Dále je patrný nárůst odrazu a o 60° se podíl odraženého záření zdvojnásobí, téměř na 10 %. Při úhlu dopadu 70° se odráží asi 20 % záření a při úhlu 80° 40 %. U většiny ostatních látek je závislost stupně odrazu na úhlu dopadu přibližně stejná.

Ještě důležitější je tzv. efektivní plocha panelu, tzn. průřez jím blokovaného toku záření. Je rovna skutečné ploše panelu vynásobené sinem úhlu mezi jeho rovinou a směrem toku (nebo ekvivalentně kosinusem úhlu mezi kolmicí k panelu a směrem toku) . Pokud je tedy panel kolmý k proudění, jeho efektivní plocha je rovna jeho skutečné ploše, pokud se proudění odchyluje od kolmice o 60° - polovinu skutečné plochy a pokud je proudění rovnoběžné s panelem, jeho efektivní plocha plocha je nulová. Výrazná odchylka proudění od kolmice k panelu tedy nejen zvyšuje odraz, ale snižuje jeho účinnou plochu, což způsobuje velmi znatelný pokles výkonu.

Je zřejmé, že pro naše účely je nejúčinnější konstantní orientace panelu kolmo na tok slunečního záření. To však bude vyžadovat změnu polohy panelu ve dvou rovinách, protože poloha Slunce na obloze závisí nejen na denní době, ale také na ročním období. I když je takový systém jistě technicky možný, ukazuje se jako velmi složitý, a tedy drahý a málo spolehlivý.

Pamatujte však, že při úhlech dopadu do 30° je koeficient odrazu na hranici „vzduch-sklo“ minimální a prakticky se nemění a během roku se úhel maximálního stoupání Slunce nad horizontem odchyluje od průměrné polohy. ne více než ±23°. Efektivní plocha panelu s odchylkou od kolmice o 23° také zůstává poměrně velká – minimálně 92 % jeho skutečné plochy. Lze se proto zaměřit na průměrnou roční výšku maximálního východu Slunce a prakticky bez ztráty účinnosti se omezit na rotaci pouze v jedné rovině - kolem polární osy Země rychlostí 1 otáčky za den. Úhel sklonu osy takové rotace vzhledem k horizontále se rovná zeměpisné šířce místa. Například pro Moskvu, která se nachází v zeměpisné šířce 56°, by měla být osa takové rotace nakloněna k severu o 56° vzhledem k povrchu (nebo ekvivalentně odkloněna od svislice o 34°). Takové otočení je již mnohem jednodušší na organizaci, nicméně velký panel potřebuje hodně místa, aby se mohl volně otáčet. Kromě toho je nutné buď zorganizovat posuvné připojení, které vám umožní odvést veškerou energii přijatou z neustále se otáčejícího panelu, nebo se omezit na flexibilní komunikaci s pevným připojením, ale zajistit automatický návrat panelu zpět v noci jinak se nevyhnete zkroucení a přerušení komunikace odvádějící energii. Obě řešení dramaticky zvyšují složitost a snižují spolehlivost systému. Jak se výkon panelů (a tedy jejich velikost a hmotnost) zvyšuje, technické problémy se exponenciálně komplikují.

V souvislosti se vším výše uvedeným se téměř vždy panely jednotlivých solárních instalací montují nehybně, což zajišťuje relativní levnost a nejvyšší spolehlivost instalace. Zde je však obzvláště důležitá volba úhlu umístění panelu. Zvažme tento problém na příkladu Moskvy.

Podívejme se na schémata slunečního záření pro různé úhly instalace panelů. Panel, který se otáčí po Slunci, je samozřejmě mimo konkurenci (oranžová čára). Nicméně i v dlouhém letní dny svou účinností převyšuje účinnost stacionárních horizontálních (modrá) a optimálně nakloněných (červená) panelů pouze o 30 %. V těchto dnech je ale tepla a světla dost! Ale v energeticky nejslabším období od října do února je výhoda otočného panelu oproti pevným minimální a téměř nepostřehnutelná. Pravda, v této době nedělá společnost šikmému panelu horizontální, ale vertikální panel (zelená čára). A to není překvapivé - nízké paprsky zimního slunce kloužou po horizontálním panelu, ale jsou dobře vnímány vertikálním téměř kolmým k nim. Vertikální panel proto v únoru, listopadu a prosinci svou účinností předčí i šikmý a téměř se neliší od otočného. V březnu a říjnu jsou dny delší a otočný panel už začíná sebevědomě (i když ne moc) překonávat jakékoli pevné možnosti, ale účinnost nakloněných a vertikálních panelů je téměř stejná. A pouze v období dlouhých dnů od dubna do srpna je horizontální panel z hlediska přijaté energie před vertikálním a přibližuje se šikmému a v červnu ho dokonce mírně překračuje. Letní ztráta vertikálního panelu je přirozená - koneckonců, řekněme, den letní rovnodennosti trvá v Moskvě déle než 17 hodin a Slunce může být na přední (pracovní) polokouli vertikálního panelu maximálně 12 hodin. hodin, zbývajících 5-lichých hodin (téměř třetina denního světla!) je za ní. Vezmeme-li v úvahu, že při úhlech dopadu větších než 60° začne rychle narůstat podíl světla odraženého od povrchu panelu a jeho účinná plocha se zmenší na polovinu i více, pak doba účinné absorpce sluneční záření u takového panelu nepřesáhne 8 hodin – tedy méně než 50 % celkové délky dne. To vysvětluje skutečnost, že výkon vertikálních panelů se stabilizuje po celou dobu dlouhých dnů - od března do září. A konečně leden stojí trochu stranou - v tomto měsíci je výkon panelů všech zaměření téměř stejný. Faktem je, že tento měsíc je v Moskvě velmi zataženo a více než 90 % veškeré sluneční energie pochází z rozptýleného záření a pro takové záření není orientace panelu příliš důležitá (hlavní je neposílat jej na zem). Několik slunečných dnů, které se stále vyskytují v lednu, však snižuje výkon horizontálního panelu o 20 % ve srovnání se zbytkem.

Jaký úhel sklonu zvolit? Vše závisí na tom, kdy přesně solární energii potřebujete. Pokud jej chcete používat pouze v teplém období (řekněme na venkově), pak byste měli zvolit tzv. „optimální“ úhel sklonu, kolmý na průměrnou polohu Slunce mezi jarní a podzimní rovnodenností. Je přibližně o 10° .. 15° méně než zeměpisná šířka a pro Moskvu je 40° .. 45°. Pokud potřebujete energii po celý rok, pak byste měli maximum „vyždímat“ právě v zimních měsících s nedostatkem energie, to znamená, že se musíte zaměřit na průměrnou polohu Slunce mezi podzimní a jarní rovnodenností a panely umístit blíže k vertikále - 5° .. 15° více než zeměpisná šířka (pro Moskvu to bude 60° .. 70°). Pokud z architektonických nebo konstrukčních důvodů nelze tento úhel dodržet a je třeba zvolit mezi úhlem sklonu 40° nebo méně nebo vertikální instalací, měla by být preferována vertikální poloha. „Nedostatek“ energie v dlouhých letních dnech přitom není tak kritický – v tomto období je hodně přirozeného tepla a světla a potřeba výroby energie obvykle není tak velká jako v zimě a v zimním období. mimo sezónu. Sklon panelu by měl být přirozeně orientován na jih, i když odchylka od tohoto směru o 10° .. 15° na východ nebo západ se mění jen málo a je tedy zcela přijatelná.

Horizontální umístění solárních panelů po celém Rusku je neefektivní a absolutně neopodstatněné. Kromě příliš velkého snížení výroby energie v období podzim-zima se na horizontálních panelech intenzivně hromadí prach a v zimě se také hromadí sníh, který lze odtud odstranit pouze pomocí speciálně organizovaného čištění (obvykle ručně ). Pokud sklon panelu přesáhne 60°, pak se sníh na jeho povrchu nezdržuje a většinou se sám rychle drolí a tenká vrstva prachu se dobře smyje deštěm.

Vzhledem k tomu, že ceny solárních zařízení v poslední době klesají, může být výhodné použít místo jednoho pole solárních panelů orientovaných na přilehlé (jihovýchod a jihozápad) i protilehlé (východ a západ) dva s větší celkovou kapacitou. jižní strana světa. To poskytne rovnoměrnější výkon ve slunečných dnech a vyšší výkon v zatažených dnech, zatímco zbytek zařízení zůstane navržen pro stejný, relativně nízký výkon, a proto bude kompaktnější a levnější.

A poslední. Sklo, jehož povrch není hladký, ale má speciální reliéf, je schopno mnohem efektivněji vnímat boční světlo a přenášet ho na pracovní prvky solárního panelu. Nejoptimálnější je zvlněný reliéf s orientací výstupků a prohlubní od severu k jihu (u vertikálních panelů - shora dolů), - druh lineární čočky. Vlnité sklo může zvýšit výkon pevného panelu o 5 % nebo více.

Tradiční typy instalací pro využití solární energie

Čas od času se objeví zprávy o výstavbě další solární elektrárny (SPP) nebo odsolovací stanice. Po celém světě, od Afriky po Skandinávii, se používají termální solární kolektory a fotovoltaické solární panely. Tyto způsoby využití sluneční energie se vyvíjejí více než tucet let, věnuje se jim mnoho stránek na internetu. Proto je zde budu posuzovat v nejobecnějších pojmech. Nicméně jeden zásadní bod na internetu není prakticky žádné pokrytí - jedná se o volbu konkrétních parametrů při vytváření individuálního systému zásobování solární energií. Přitom tato otázka není tak jednoduchá, jak se na první pohled zdá. Příklad výběru parametrů pro solární systém je uveden na samostatné stránce.

Solární panely

Obecně lze „solární baterií“ chápat jakoukoli sadu identických modulů, které vnímají sluneční záření a jsou sloučeny do jednoho zařízení, včetně těch čistě tepelných, ale tradičně se tento termín přiřazuje panelům fotovoltaických konvertorů. Proto se pod pojmem „solární baterie“ téměř vždy rozumí fotovoltaické zařízení, které přímo přeměňuje sluneční záření na elektrický proud. Tato technologie se aktivně vyvíjela od poloviny 20. století. Obrovským podnětem pro jeho rozvoj byl průzkum vesmíru, kde solární baterie mohou konkurovat pouze výkonem a dobou provozu. jaderné zdroje energie. Během této doby se účinnost konverze solárních článků zvýšila z jednoho nebo dvou procent na 17 % nebo více u masově relativně levných modelů a přes 42 % u prototypů. Výrazně zvýšená životnost a spolehlivost.

Výhody solárních panelů

Hlavní výhodou solárních panelů je jejich extrémní konstrukční jednoduchost a naprostá absence pohyblivých částí. V důsledku toho - malá specifická hmotnost a nenáročnost v kombinaci s vysokou spolehlivostí, stejně jako nejjednodušší instalace a minimální nároky na údržbu během provozu (obvykle stačí odstranit nečistoty z pracovní plochy, když se hromadí). Představují ploché prvky malé tloušťky a jsou docela úspěšně umístěny na svahu střechy obrácené ke slunci nebo na stěnu domu, prakticky bez potřeby dalšího prostoru pro sebe a výstavbu samostatných objemných konstrukcí. Jedinou podmínkou je, aby je co nejdéle nic nezakrývalo.

Další důležitou výhodou je, že energie je generována okamžitě ve formě elektřiny – v té dosud nejuniverzálnější a nejpohodlnější formě.

Bohužel nic netrvá věčně – účinnost fotovoltaických konvertorů v průběhu jejich životnosti klesá. Polovodičové wafery, ze kterých se solární články obvykle skládají, časem degradují a ztrácejí své vlastnosti, v důsledku toho se již tak nepříliš vysoká účinnost solárních článků ještě snižuje. Dlouhodobé vystavení vysokým teplotám tento proces urychluje. Nejprve jsem to zaznamenal jako nevýhodu fotovoltaických baterií, zejména proto, že „mrtvé“ fotovoltaické články nelze obnovit. Je však nepravděpodobné, že jakýkoli mechanický elektrický generátor bude schopen prokázat alespoň 1% výkon po pouhých 10 letech nepřetržitého provozu - s největší pravděpodobností bude vyžadovat vážné opravy mnohem dříve kvůli mechanickému opotřebení, pokud ne ložisek, pak kartáčů - a moderní fotokonvertory jsou schopny udržet si svou účinnost po celá desetiletí. Podle optimistických odhadů se během 25 let účinnost solární baterie snižuje pouze o 10 %, což znamená, že pokud nezasáhnou další faktory, tak i po 100 letech zůstanou téměř 2/3 původní účinnosti. U masově komerčních fotovoltaických článků na bázi poly- a monokrystalického křemíku však poctiví výrobci a prodejci uvádějí trochu jiná čísla stárnutí – po 20 letech je třeba počítat se ztrátou účinnosti až 20 % (potom teoreticky po 40 letech účinnost bude 2/3 původní, za 60 let se sníží na polovinu a za 100 let bude o něco méně než 1/3 původní produktivity). Obecně platí, že běžná životnost moderních fotokonvertorů je minimálně 25 .. 30 let, takže degradace není tak kritická a mnohem důležitější je prach z nich včas smýt ...

Pokud jsou baterie instalovány tak, že prakticky nedochází k přirozenému prášení nebo jsou včas smyty přírodními dešti, pak mohou fungovat bez jakékoli údržby po mnoho let. Další velkou výhodou je možnost takto dlouhého provozu v bezobslužném režimu.

A konečně, solární panely jsou schopny generovat energii od úsvitu do soumraku i za oblačného počasí, kdy tepelné solární kolektory mají teplotu, která se jen nepatrně liší od okolní teploty. Samozřejmě ve srovnání s jasným slunečným dnem jejich produktivita mnohonásobně klesá, ale alespoň něco je lepší než vůbec nic! V tomto ohledu je zvláště zajímavý vývoj baterií s maximální přeměnou energie v těch oblastech, kde mraky absorbují sluneční záření nejméně ze všech. Při výběru solárních fotokonvertorů je navíc třeba dbát na závislost jimi generovaného napětí na osvětlení – měla by být co nejmenší (při poklesu osvětlení by měl nejprve klesnout proud a ne napětí, protože jinak, abyste dosáhli alespoň nějakého užitečného efektu v zatažených dnech, budete muset použít drahé přídavné zařízení, které násilně zvýší napětí na minimum dostatečné pro nabití baterií a provoz střídačů).

Nevýhody solárních panelů

Samozřejmě existuje mnoho nevýhod solárních panelů. Kromě závislosti na počasí a denní době lze zaznamenat následující.

Nízká účinnost. Stejný solární kolektor správná volba Tvar a materiál povrchu je schopen absorbovat téměř veškeré sluneční záření, které na něj dopadlo, v téměř celém spektru frekvencí, které nesou znatelnou energii, od dalekého infračerveného až po ultrafialové oblasti. Solární baterie naopak přeměňují energii selektivně - pro fungující buzení atomů jsou potřeba určité energie fotonů (frekvence záření), proto je v některých frekvenčních pásmech přeměna velmi efektivní, jiná frekvenční pásma jsou pro ně k ničemu. . Energie jimi zachycených fotonů je navíc kvantově využita – její „přebytek“, překračující potřebnou úroveň, jde na ohřev materiálu fotokonvertoru, který je v tomto případě škodlivý. V mnoha ohledech to vysvětluje jejich nízkou účinnost.
Mimochodem, výběr špatného materiálu pro ochranný povlak může výrazně snížit účinnost baterie. Věc se zhoršuje tím, že obyčejné sklo velmi dobře pohlcuje vysokoenergetickou ultrafialovou část dosahu a pro některé typy fotočlánků je tento rozsah velmi relevantní - energie infračervených fotonů je pro ně příliš nízká.

Citlivost na vysokou teplotu. S rostoucí teplotou účinnost solárních článků, stejně jako téměř všech ostatních polovodičových zařízení, klesá. Při teplotách nad 100..125°C mohou obecně dočasně ztratit svou pracovní schopnost a ještě větší zahřívání jim hrozí nevratným poškozením. Navíc zvýšená teplota urychluje degradaci solárních článků. Proto je nutné přijmout veškerá opatření ke snížení zahřívání, které je nevyhnutelné pod spalujícím přímým slunečním zářením. Typicky výrobci omezují rozsah jmenovitých provozních teplot fotočlánků na +70°..+90°C (což znamená zahřívání samotných článků a okolní teplota by samozřejmě měla být mnohem nižší).
Situaci navíc komplikuje fakt, že citlivý povrch dosti křehkých fotobuněk je často pokryt ochranným sklem nebo průhledným plastem. Pokud mezi ochranným krytem a povrchem fotobuňky zůstane vzduchová vrstva, vytvoří se jakýsi „skleník“, který přehřívání zhoršuje. Je pravda, že zvětšením vzdálenosti mezi ochranným sklem a povrchem fotobuňky a propojením této dutiny s atmosférou shora a zdola je možné zorganizovat konvekční proudění vzduchu, které fotobuňky přirozeně ochlazuje. Na ostrém slunci a vysokých venkovních teplotách to však nemusí stačit, navíc tento způsob přispívá k urychlenému prášení pracovní plochy fotobuněk. Proto solární baterie není ani moc velké velikosti může vyžadovat speciální chladicí systém. Spravedlivě je třeba říci, že takové systémy se většinou snadno automatizují a pohon ventilátoru nebo čerpadla spotřebuje jen malý zlomek vyrobené energie. Při absenci ostrého slunce se příliš netopí a není potřeba vůbec žádné chlazení, takže energie ušetřená na pohon chladicího systému může být využita pro jiné účely. Je třeba poznamenat, že u moderních panelů vyráběných v továrně ochranný povlak obvykle pevně přilne k povrchu fotobuněk a odvádí teplo ven, ale u vlastních konstrukcí může mechanický kontakt s ochranným sklem fotobuňku poškodit.

Citlivost na nerovnoměrné osvětlení. Aby se dosáhlo napětí baterie, které je více či méně vhodné pro použití (12, 24 nebo více voltů), fotobuňky se zpravidla zapojují do sériových řetězců. Proud v každém takovém obvodu, a tedy jeho výkon, je určen nejvíce slabé spojení- fotobuňka s nejhoršími vlastnostmi nebo s nejmenším osvětlením. Pokud je tedy alespoň jeden prvek řetězu ve stínu, výrazně to snižuje výkon celého řetězce - ztráty jsou neúměrné stínění (navíc při absenci ochranných diod takový prvek začne odvádět výkon generované zbytkem prvků!). Neúměrnému snížení výkonu se lze vyhnout pouze zapojením všech fotočlánků paralelně, ale pak bude mít výstup baterie příliš velký proud při příliš nízkém napětí - obvykle u jednotlivých fotočlánků je to pouze 0,5 .. 0,7 V, v závislosti na jejich typ a zatížení.

Citlivost na znečištění. I jemná vrstva nečistot na povrchu fotovoltaických článků nebo ochranného skla dokáže pohltit značné množství slunečního záření a výrazně snížit produkci energie. V prašném městě to bude vyžadovat časté čištění povrchu solárních polí, zejména těch, která jsou namontována vodorovně nebo v mírném sklonu. Stejný postup je samozřejmě nutný po každém sněžení, i po prachové bouři... Avšak daleko od měst, průmyslových oblastí, frekventovaných silnic a jiných silných zdrojů prachu pod úhlem sklonu 45° a větším jsou deště docela schopný smýt přirozený prach z povrchu panelů a "automaticky" je udržovat docela čisté. Ano, a sníh na takovém svahu, navíc orientovaný na jih, dokonce ve velmi mrazivé dny většinou netrvá dlouho. Takže daleko od zdrojů znečištění atmosféry mohou solární panely úspěšně fungovat roky bez jakékoli údržby, na obloze by bylo slunce!

Konečně poslední, ale nejdůležitější z překážek široké a všudypřítomné distribuce fotovoltaických solárních panelů je jejich poměrně vysoká cena. Cena solárních bateriových prvků je v současné době minimálně 1 $ / W (1 kW - 1 000 $), a to za neefektivní úpravy bez zohlednění nákladů na montáž a instalaci panelů, jakož i bez zohlednění ceny baterie, regulátory nabíjení a invertory (převodníky vyrobeného nízkonapěťového stejnosměrného proudu na domácí nebo průmyslový standard). Ve většině případů by pro minimální odhad skutečných nákladů měly být tyto údaje vynásobeny 3-5krát pro vlastní montáž z jednotlivých fotobuněk a 6-10krát pro nákup hotových sad zařízení (plus náklady na instalaci) .

Baterie mají nejkratší životnost ze všech prvků FV napájecího systému, ale výrobci moderních bezúdržbových baterií tvrdí, že v takzvaném vyrovnávacím režimu budou fungovat asi 10 let (nebo odpracují tradičních 1000 cyklů silného nabití -vybíjení - pokud počítáte jeden cyklus za rok).den, tak v tomto režimu vydrží 3 roky). Podotýkám, že náklady na baterie jsou obvykle pouze 10-20% z celkových nákladů na celý systém a náklady na měniče a regulátory nabíjení (oba jsou složité elektronické produkty, a proto existuje určitá pravděpodobnost jejich selhání) - i méně. S ohledem na dlouhou životnost a schopnost pracovat po dlouhou dobu bez jakékoli údržby se tedy fotokonvertory mohou vyplatit více než jednou za život, a to nejen v odlehlých oblastech, ale také v obydlených oblastech - pokud jsou tarify za elektřinu nadále růst současným tempem!

Solární termální kolektory

Označení „solární kolektory“ bylo přiřazeno zařízením využívajícím přímý ohřev solárním teplem, a to jak jednoduchým, tak i stohovatelným (modulárním). Nejjednodušším příkladem termálního solárního kolektoru je černá nádrž na vodu na střeše zmíněné venkovské sprchy (mimochodem účinnost ohřevu vody v letní sprše lze výrazně zvýšit vybudováním miniskleníku kolem nádrže, při. alespoň z plastové fólie; je žádoucí, aby mezi fólií a stěnami nádrže byla shora a ze strany mezera 4-5 cm).

Moderní sběratelé se však takové nádrži jen málo podobají. Obvykle se jedná o ploché konstrukce vyrobené z tenkých černěných trubek položených ve formě mřížky nebo hada. Trubky lze namontovat na černěnou tepelně vodivou zadní desku, která zachycuje sluneční teplo vstupující do mezer mezi nimi – to umožňuje zmenšit celkovou délku trubek bez ztráty účinnosti. Pro snížení tepelných ztrát a zvýšení ohřevu lze kolektor shora zakrýt skleněnou tabulí nebo průhledným voštinovým polykarbonátem a na zadní straně teplorozvodné desky zabrání zbytečným tepelným ztrátám vrstva tepelné izolace - a vzniká jakýsi „skleník“. Trubicí se pohybuje ohřátá voda nebo jiné chladivo, které lze shromažďovat v tepelně izolovaném zásobníku. Pohyb chladicí kapaliny nastává působením čerpadla nebo gravitace v důsledku rozdílu v hustotě chladicí kapaliny před a za kolektorem tepla. V druhém případě je pro více či méně účinnou cirkulaci vyžadován pečlivý výběr sklonů a úseků potrubí a umístění samotného kolektoru co nejníže. Obvykle se ale kolektor umisťuje na stejná místa jako solární baterie – na prosluněnou stěnu nebo na prosluněný sklon střechy, i když se někde musí umístit přídavná akumulační nádrž. Bez takové nádrže, s intenzivním odvodem tepla (řekněme, pokud potřebujete napustit vanu nebo se osprchovat), kapacita kolektoru nemusí stačit a po krátké době poteče z kohoutku mírně ohřátá voda.

Ochranné sklo samozřejmě poněkud snižuje účinnost kolektoru, absorbuje a odráží několik procent sluneční energie, i když paprsky dopadají kolmo. Když paprsky dopadají na sklo pod mírným úhlem k povrchu, může se koeficient odrazu přiblížit 100 %. Proto při nepřítomnosti větru a potřebě pouze mírného zahřívání vzhledem k okolnímu vzduchu (řekněme o 5–10 stupňů pro zalévání zahrady) mohou být „otevřené“ konstrukce efektivnější než „prosklené“. Jakmile je ale potřeba teplotní rozdíl v řádu desítek stupňů, nebo se zvedne i nepříliš silný vítr, tepelná ztráta otevřených konstrukcí se rapidně zvyšuje a ochranná skla se všemi svými nedostatky se stávají nutností.

Důležitá poznámka - je třeba mít na paměti, že v horkém slunečném dni, pokud není proveden rozbor, může dojít k přehřátí vody nad bod varu, proto je nutné přijmout vhodná opatření v konstrukci kolektoru (zajistit bezpečnostní ventil). U otevřených kolektorů bez ochranného skla se takového přehřívání většinou nelze bát.

V poslední době se začínají hojně uplatňovat solární kolektory na bázi tzv. tepelných trubic (neplést s „tepelnými trubicemi“ používanými k odvodu tepla v chladicích systémech počítačů). Na rozdíl od konstrukce diskutované výše je zde každá zahřátá kovová trubice, kterou cirkuluje chladivo, zapájena uvnitř skleněné trubice a vzduch je čerpán z mezery mezi nimi. Ukazuje se analog termosky, kde se díky vakuové tepelné izolaci tepelné ztráty snižují 20krát nebo více. Díky tomu se podle výrobců při mrazu -35°C mimo sklo ohřeje voda ve vnitřní kovové trubici se speciálním povlakem, který pohlcuje co nejširší spektrum slunečního záření až na +50..+70 °C (rozdíl přes 100 °C). Účinná absorpce v kombinaci s vynikající tepelnou izolací umožňuje ohřát chladicí kapalinu i při zatažené obloze, i když topný výkon je samozřejmě mnohonásobně menší než při ostrém slunci. klíčový bod zde má být zajištěno zachování vakua v mezeře mezi trubkami, tedy vakuová těsnost spoje skla a kovu, ve velmi širokém teplotním rozsahu až 150 °C po celou dobu životnosti mnoha let . Z tohoto důvodu se při výrobě takových kolektorů nelze obejít bez pečlivé koordinace koeficientů tepelné roztažnosti skla a kovu a high-tech výrobních procesů, což znamená, že je nepravděpodobné, že by bylo možné vyrobit plnohodnotnou vakuovou tepelnou trubici. v řemeslných podmínkách. Jednodušší konstrukce kolektorů se však vyrábějí samostatně bez problémů, i když jejich účinnost je samozřejmě poněkud menší, zejména v zimě.

Kromě kapalných solárních kolektorů popsaných výše existují další zajímavé typy struktur: vzduch (chladivo je vzduch a nebojí se zamrznutí), „solární jezírka“ atd. Bohužel většina výzkumu a vývoje solárních kolektorů se věnuje speciálně tekutým modelům, proto se alternativní druhy prakticky nevyrábějí a není o nich tolik informací.

Výhody solárních kolektorů

Nejdůležitější výhodou solárních kolektorů je jednoduchost a relativní levnost výroby jejich poměrně efektivních možností v kombinaci s nenáročností na provoz. Minimum, které je potřeba k výrobě kolektoru vlastníma rukama, je pár metrů tenké trubky (nejlépe tenkostěnná měděná trubka - lze ji ohnout s minimálním poloměrem) a trocha černé barvy, alespoň bitumenového laku. Hadem ohneme hadem, natřeme černá barva, umístíme na slunné místo, napojíme na vodovod a nyní je nejjednodušší solární kolektor hotový! Cívku lze přitom snadno přizpůsobit téměř libovolné konfiguraci a maximálně využít veškerý prostor přidělený pro kolektor. Nejúčinnější černění, které lze aplikovat v řemeslných podmínkách a které je zároveň velmi odolné vysoké teploty a přímé sluneční světlo, je tenká vrstva sazí. Saze se však snadno vymažou a smyjí, proto pro takové zčernání bude zapotřebí ochranné sklo a speciální opatření, aby se zabránilo možnému vniknutí kondenzátu na povrch pokrytý sazemi.

Další důležitou výhodou kolektorů je, že na rozdíl od solárních panelů jsou schopny zachytit a přeměnit na teplo až 90 % slunečního záření, které je zasáhlo, a v těch nejúspěšnějších případech i více. Nejen za jasného počasí, ale i za slabé oblačnosti proto účinnost kolektorů převyšuje účinnost fotovoltaických baterií. Konečně na rozdíl od fotovoltaických baterií nerovnoměrné osvětlení povrchu nezpůsobuje neúměrné snížení účinnosti kolektoru - důležitý je pouze celkový (integrální) tok záření.

Nevýhody solárních kolektorů

Solární kolektory jsou ale citlivější na počasí než solární panely. I za jasného slunečního svitu může čerstvý vítr mnohonásobně snížit účinnost vytápění otevřeného výměníku tepla. Ochranné sklo samozřejmě drasticky snižuje tepelné ztráty větrem, ale v případě husté oblačnosti je také bezmocné. V zamračeném větrném počasí nemá kolektor prakticky žádný smysl a solární baterie vyrábí alespoň nějakou energii.

Z dalších nedostatků solárních kolektorů vyzdvihnu především jejich sezónnost. Krátké jarní nebo podzimní noční mrazíky stačí k tomu, aby vzniklý led v trubkách ohřívače vytvořil nebezpečí jejich prasknutí. To lze samozřejmě eliminovat vyhříváním „skleníku“ spirálou s cizím zdrojem tepla za chladných nocí, nicméně v tomto případě je celková energetická účinnost sběratel se může snadno stát negativním! Další možnost - dvouokruhový kolektor s nemrznoucí kapalinou ve vnějším okruhu - nebude vyžadovat spotřebu energie na vytápění, ale bude mnohem složitější než jednookruhové varianty s přímým ohřevem vody, a to jak ve výrobě, tak během provozu. Vzduchové konstrukce v zásadě nemohou zamrznout, ale je tu další problém - nízké měrné teplo vzduchu.

A přesto je možná hlavní nevýhodou solárního kolektoru to, že je to právě topné zařízení, a přestože průmyslově vyráběné vzorky mohou bez tepelné analýzy ohřát chladicí kapalinu až na 190..200 ° C, teplota obvykle dosažená zřídka překročí 60..80 °C. Proto je velmi obtížné využít odebrané teplo k získání značného množství mechanické práce nebo elektrické energie. Vždyť i pro provoz parovodní turbíny s nejnižší teplotou (např. té, kterou kdysi popsal V.A. Zysin) je nutné přehřát vodu minimálně na 110 °C! Ale přímo ve formě tepla se energie, jak víte, dlouho neskladuje a i při teplotě nižší než 100 °C ji lze obvykle použít pouze pro zásobování teplou vodou a vytápění domácností. Vzhledem k nízkým nákladům a snadné výrobě to však může být dostatečný důvod k pořízení vlastního solárního kolektoru.

Pro spravedlnost je třeba poznamenat, že „normální“ pracovní cyklus tepelného motoru lze organizovat i při teplotách pod 100 °C – buď pokud se bod varu sníží snížením tlaku ve výparníkové části odčerpáním páry odtud. , nebo pomocí kapaliny, jejíž bod varu leží mezi teplotou ohřevu solárního kolektoru a teplotou okolí (optimálně - 50..60°С). Pravda, vybavuji si pouze jednu neexotickou a relativně bezpečnou tekutinu, která tyto podmínky víceméně splňuje – jde o etylalkohol, který za normálních podmínek vře při 78 °C. Je zřejmé, že v tomto případě budete určitě muset zorganizovat uzavřený cyklus a vyřešit mnoho souvisejících problémů. V některých situacích může být slibné použití motorů s externím ohřevem (Stirlingovy motory). V tomto ohledu je použití slitin s efektem tvarové paměti, které je na těchto stránkách popsáno v článku I.V.

Koncentrace sluneční energie

Zvyšování účinnosti solárního kolektoru spočívá především v neustálém zvyšování teploty ohřívané vody nad bod varu. K tomu se obvykle využívá koncentrace sluneční energie na kolektoru pomocí zrcadel. Právě tento princip je základem většiny solárních elektráren, rozdíly jsou pouze v počtu, konfiguraci a umístění zrcadel a kolektoru a dále ve způsobech ovládání zrcadel. Díky tomu je v ostřícím bodě docela dobře možné dosáhnout teploty ani ne stovky, ale tisíce stupňů - při této teplotě již může dojít k přímému tepelnému rozkladu vody na vodík a kyslík (vznikající vodík lze spálit v noci a za oblačných dnů)!

Efektivní provoz takové instalace je bohužel nemožný bez složitého řídicího systému pro zrcadla koncentrátoru, která musí sledovat neustále se měnící polohu Slunce na obloze. Jinak zaostřovací bod po několika minutách opustí kolektor, který má v takových systémech často velmi malé rozměry, a zahřívání pracovní tekutiny se zastaví. I použití paraboloidních zrcadel řeší problém jen částečně - pokud se nebudou periodicky natáčet za Sluncem, tak za pár hodin už nespadne do jejich misky nebo bude osvětlovat jen její okraj - z toho bude malý smysl.

Nejjednodušší způsob, jak soustředit sluneční energii v „domácích“ podmínkách, je umístit zrcadlo vodorovně poblíž kolektoru tak, aby většinu dne dopadal „sluneční paprsek“ na kolektor. Zajímavá možnost- použijte povrch nádrže speciálně vytvořené v blízkosti domu jako takové zrcadlo, zejména pokud se nejedná o běžnou nádrž, ale o „solární rybník“ (ačkoli to není snadné a účinnost odrazu bude mnohem menší než jako obyčejné zrcadlo). Dobrého výsledku lze dosáhnout vytvořením systému vertikálních zrcadlových nábojů (tento úkol je obvykle mnohem obtížnější, ale v některých případech může být zcela oprávněné jednoduše nainstalovat velké zrcadlo na přilehlou stěnu, pokud tvoří vnitřní úhel se stěnou). kolektor - vše závisí na konfiguraci a umístění budovy a kolektoru).

Přesměrování slunečního záření pomocí zrcadel může také zvýšit výkon fotovoltaického pole. Zároveň se však zvyšuje jeho zahřívání a může vyřadit baterii. Proto se v tomto případě musíte omezit na relativně malý zisk (o pár desítek procent, ale ne občas) a je třeba pečlivě kontrolovat teplotu baterie, zejména v horkých jasných dnech! Právě kvůli nebezpečí přehřátí někteří výrobci fotovoltaických baterií výslovně zakazují provoz svých výrobků se zvýšeným osvětlením vytvořeným pomocí přídavných reflektorů.

Přeměna sluneční energie na mechanickou

Tradiční typy solárních instalací nezahrnují přímé získávání mechanické práce. K tomu je třeba připojit elektromotor na solární baterii na fotokonvertorech a při použití tepelného solárního kolektoru přehřátou páru (a je nepravděpodobné, že se to neobejde bez zrcadlových koncentrátorů pro přehřívání) vstupu parní turbíny nebo k válcům parního stroje. Rozdělovače s relativně malým teplem mohou přeměnit teplo na mechanický pohyb exotičtějšími způsoby, jako jsou aktuátory ze slitiny s tvarovou pamětí.

Existují však zařízení, která zahrnují přeměnu slunečního tepla na mechanickou práci, přímo začleněnou do jejich návrhu. Navíc jejich velikosti a výkon jsou velmi odlišné - to je projekt obrovské solární věže vysoké stovky metrů a skromného solárního čerpadla, které je místem pro letní chatu.

Od pradávna lidé mluvili o Slunci jako o mocném a velkém, povyšovali ho ve svých náboženstvích na animovaný objekt. Uctívali světlo, chválili ho, měřili čas a vždy ho považovali za primární zdroj pozemských požehnání.

Potřeba solární energie

Uplynula tisíciletí. Lidstvo vstoupilo do nové éry svého vývoje a vychutnává si plody rychle se rozvíjejícího technologického pokroku. Dodnes je to však Slunce, které je hlavním přirozeným zdrojem tepla a potažmo života.

Jak lidstvo využívá Slunce ve svých každodenních činnostech? Zvažme tuto otázku podrobněji.

"Práce" Slunce

Nebeské těleso slouží jako jediný zdroj energie potřebné pro fotosyntézu rostlin. Slunce uvádí do pohybu koloběh vody a jen díky němu jsou na naší planetě všechna fosilní paliva známá lidstvu. A lidé také využívají sílu této jasné hvězdy, aby uspokojili své potřeby elektrické a tepelné energie. Bez něj by život na planetě prostě nebyl možný.

Hlavní zdroj energie

Příroda se moudře stará o to, aby lidstvo dostalo své dary z nebeského těla. Dodávka sluneční energie na Zemi se provádí přenosem radiačních vln na povrch kontinentů a vod. Navíc z celého zaslaného spektra pouze:

1. Ultrafialové vlny. Pro lidské oko jsou neviditelné a tvoří asi 2 % celkového spektra.

2. Světelné vlny. To je asi polovina sluneční energie, která dosáhne zemského povrchu. Díky světelným vlnám člověk vidí všechny barvy světa kolem sebe.

3. Infračervené vlny. Tvoří přibližně 49 % spektra a ohřívají povrch vody a pevniny. Právě tyto vlny jsou při využívání sluneční energie na Zemi nejvíce žádané.

Princip přeměny infračervených vln

Jak probíhá proces využití energie Slunce na Zemi? Jako každá jiná podobná akce se provádí podle principu přímé transformace. To vyžaduje pouze speciální povrch. Když na něj dopadne, sluneční světlo prochází procesem přeměny na energii. Pro získání tepla v tomto okruhu musí být zapojen kolektor. Pohlcuje infračervené vlny. Dále, v zařízení, které využívá energii Slunce, jsou určitě přítomná paměťová zařízení. Pro ohřev konečného produktu jsou uspořádány speciální výměníky tepla.

Cílem solární energie je získat teplo a světlo, které je pro lidstvo tak nezbytné. Novému odvětví se někdy říká solární energie. Helios totiž v řečtině znamená Slunce.

Provoz areálu

Solární instalaci si teoreticky dokáže spočítat každý z nás. Koneckonců, je známo, že po cestě z jediné hvězdy našeho galaktického systému na Zemi s sebou proud světelných paprsků přinese energetický náboj rovný 1367 wattům na metr čtvereční. Jedná se o takzvanou sluneční konstantu, která existuje na vstupu do atmosférických vrstev. Tato možnost je možná pouze za ideálních podmínek, které v přírodě prostě neexistují. Sluneční paprsky po průchodu atmosférou přinesou k rovníku 1020 wattů na metr čtvereční. Ale díky změně denní a noční doby můžeme získat třikrát nižší hodnotu. Pokud jde o mírné zeměpisné šířky, mění se zde nejen délka denního světla, ale i sezónnost. Příjem elektřiny v místech vzdálených od rovníku tak bude třeba ve výpočtu snížit na polovinu.

Geografie záření nebeského svítidla

Kde může solární energie fungovat dostatečně efektivně? Přírodní podmínky pro umístění instalací hrají v tomto rostoucím odvětví důležitou roli.
Rozložení slunečního záření na povrchu Země je nerovnoměrné. V některých oblastech je paprsek slunce dlouho očekávaným a vzácným hostem, v jiných je schopen depresivně působit na všechno živé.

Množství slunečního záření, které konkrétní oblast přijímá, závisí na zeměpisné šířce jejího umístění. Největší dávky energie přírodní hvězdy přijímají státy nacházející se v blízkosti rovníku. Ale to není vše. Množství slunečního toku závisí na počtu jasných dnů, které se mění při přechodu z jednoho klimatického pásma do druhého. Vzduchové proudy a další rysy regionu mohou zvýšit nebo snížit stupeň radiace. Výhody solární energie jsou nejznámější:

Země severovýchodní Afriky a některé jihozápadní a centrální oblasti kontinentu;
- obyvatelé Arabského poloostrova;
- východní pobřeží Afriky;
- severozápadní Austrálie a některé ostrovy Indonésie;
- Západní pobřeží Jižní Ameriky.

Pokud jde o Rusko, jak ukazují měření na jeho území, oblasti sousedící s Čínou a také severní zóny se těší nejvyšším dávkám slunečního záření. A kde u nás Slunce zahřívá Zemi nejméně? Jedná se o severozápadní region, který zahrnuje Petrohrad a přilehlé oblasti.

elektrárny

Je těžké si představit náš život bez využití energie Slunce na Zemi. Jak to aplikovat? Světelné paprsky lze využít k výrobě elektřiny. Jeho potřeba každým rokem roste a zásoby plynu, ropy a uhlí rychlým tempem ubývají. Proto lidé v posledních desetiletích začali stavět solární elektrárny. Koneckonců, tyto instalace umožňují využití alternativních zdrojů energie, výrazně šetří přírodní zdroje.

Solární elektrárny fungují díky fotobuňkám zabudovaným v jejich povrchu. V posledních letech se navíc podařilo výrazně zvýšit účinnost takových systémů. Solární instalace se začaly vyrábět od nejnovější materiály a pomocí kreativních inženýrských řešení. To značně zvýšilo jejich sílu.

Podle některých výzkumníků může lidstvo v blízké budoucnosti opustit dosavadní tradiční způsoby výroby elektřiny. Potřeby lidí budou zcela uspokojeny nebeským tělem.

Solární elektrárny mohou mít různé velikosti. Nejmenší z nich jsou soukromé. V těchto systémech je k dispozici pouze několik solárních panelů. Největší a nejsložitější instalace pokrývají území přesahující deset kilometrů čtverečních.

Všechny solární elektrárny jsou rozděleny do šesti typů. Mezi nimi:

Věž;
- instalace s fotobuňkami;
- miskovitý;
- parabolický;
- solární vakuum;
- smíšené.

Nejběžnějším typem elektrárny je věžová. Jedná se o vysoký design. Navenek připomíná věž s nádrží umístěnou na ní. Nádoba je naplněna vodou a natřena černou barvou. Kolem věže jsou zrcadla, jejichž plocha přesahuje 8 metrů čtverečních. Celý tento systém je propojen s jediným ovládacím panelem, díky kterému je možné nasměrovat úhel zrcátek tak, aby neustále odrážela sluneční světlo. Paprsky nasměrované na nádrž ohřívají vodu. Systém vyrábí páru, která se posílá k výrobě elektřiny.

Fotovoltaické elektrárny využívají solární panely. Dnes se takové instalace staly obzvláště populární. Koneckonců, solární panely mohou být instalovány v malých blocích, což umožňuje jejich použití nejen pro průmyslové podniky, ale také pro soukromé domy.

Pokud uvidíte řadu satelitních parabol obrovských rozměrů, na jejichž vnitřní straně jsou instalovány zrcadlové desky, pak vězte, že jde o parabolické elektrárny pracující na sluneční záření. Princip jejich fungování je podobný jako u stejných systémů věžového typu. Zachycují paprsek světla a ohřívají přijímač kapalinou. Dále se vyrábí pára, která se používá k výrobě elektřiny.

Diskové stanice fungují stejným způsobem jako ty, které jsou klasifikovány jako věžové a parabolické. Rozdíly spočívají pouze v Designové vlastnosti instalace. Na první pohled vypadá jako obrovský kovový strom, jehož listy jsou plochá kulatá zrcadla. Koncentrují sluneční energii.

Neobvyklý způsob získávání tepla je využíván v solárně-vakuové elektrárně. Jeho design je pozemek krytý kulatou střechou. Uprostřed této stavby se tyčí dutá věž, na jejíž základně jsou instalovány turbíny. Otáčení lopatek takové elektrárny je způsobeno prouděním vzduchu, ke kterému dochází při rozdílu teplot. Prosklená střecha propouští sluneční paprsky. Zahřívají zemi. Teplota vzduchu v místnosti stoupá. Rozdíl v odečtech teploměrů uvnitř a venku vytváří průvan vzduchu.

Solární energie využívá také elektrárny smíšeného typu. O takových systémech můžeme mluvit v případech, kdy jsou například na věžích použity přídavné fotobuňky.

Výhody a nevýhody solární energie

Každý sektor národního hospodářství má své kladné i záporné stránky. Jsou k dispozici i při použití světelných toků. Výhody solární energie jsou následující:

Šetrnost k životnímu prostředí, protože neznečišťuje životní prostředí;
- dostupnost hlavních komponent - fotobuněk, které se prodávají nejen pro průmyslové použití, ale také pro vytváření osobních malých elektráren;
- nevyčerpatelnost a samoobnovení zdroje;
- neustále klesající náklady.

Mezi nevýhody solární energie lze identifikovat:

Vliv denní doby a povětrnostních podmínek na výkon elektráren;
- potřeba skladování energie;
- pokles produktivity v závislosti na zeměpisné šířce, ve které se region nachází, a na ročním období;
- velký ohřev vzduchu, který probíhá na samotné elektrárně;
- nutnost pravidelného čištění od znečištění, které potřebuje systém solárních baterií, což je problematické kvůli obrovským plochám, na kterých jsou solární články instalovány;
- relativně vysoké náklady na zařízení, které, i když se každým rokem snižují, jsou stále nedostupné pro masového spotřebitele.

Perspektivy rozvoje

Jaké jsou budoucí možnosti využití energie Slunce na Zemi? Dnes se tomuto alternativnímu komplexu předpovídá velká budoucnost.

Vyhlídky pro solární energii jsou jasné. Ostatně již dnes se v tomto směru konají obrovské práce, pokud jde o jejich rozsah. Každý rok v různé země Ve světě se objevuje stále více solárních elektráren, jejichž rozměry udivují technickým řešením a měřítkem. Specialisté v tomto odvětví navíc nepřestávají provádět vědecký výzkum, jehož účelem je znásobit účinnost fotobuněk používaných v takových instalacích.

Vědci provedli zajímavý výpočet. Pokud by byly solární články instalovány na zemi planety Země, která by se nacházela na sedmi setinách jejího území, pak by i při účinnosti 10 % zajistily celému lidstvu potřebné teplo a světlo. A to není tak vzdálená vyhlídka. Ostatně fotobuňky, které se dnes používají, mají účinnost 30 %. Vědci zároveň doufají, že dosáhnou této hodnoty na 85 %.

Rozvoj solární energie postupuje poměrně vysokým tempem. Lidé jsou vážně znepokojeni problémem vyčerpávání přírodních zdrojů a zabývají se hledáním alternativních zdrojů tepla a světla. Takové rozhodnutí zabrání nevyhnutelné energetické krizi lidstva a také blížící se ekologické katastrofě.