Эффективность применения альтернативных источников энергии

Аннотация

О.Е. Новикова, О.И. Левицкая. Эффективность применения альтернативных источников энергии. Проанализированы вопросы перспективного использования энергии солнца.

Постановка проблемы

Истощение природных ресурсов – глобальная проблема современного мира, поэтому возникает необходимость в развитии энергетики, которая базируется на самых разных природных ресурсах, что позволяет беречь невозобновляемые источники и использовать их в других отраслях экономики, а также сохранить для будущих поколений экологически чистую энергию. В работе проанализированы вопросы перспективного использования энергии солнца.

Анализ исследований и публикаций

Мировой опыт использования солнечной энергии говорит о перспективности данного направления. В настоящее время современные технологии позволяют широко использовать энергию солнца, как в быту, так и на производстве.

Солнечная энергетика обладает колоссальным потенциалом, намного превышающим как современные, так и перспективные потребности человечества в электроэнергии. Если покрыть всего 0,7% земного шара солнечными батареями с минимальным КПД 10%, их выработка электроэнергии превысит выработку всех электростанций в мире.

Солнечная энергетика использует практически неисчерпаемый возобновляемый источник энергии, в процессе производства электроэнергии отсутствуют выбросы в окружающую среду загрязняющих веществ. Солнечные батареи могут быть установлены фактически в любом удобном месте.

Практическое применение получили два способа преобразования энергии солнечного излучения в электроэнергию – фотоэлектрический и гелиотермический.

Фотоэлектрический способ основан на свойствах полупроводниковых материалов и их взаимодействии со светом. В фотовольтаическом элементе свободные носители образуются в результате взаимодействия полупроводника со светом, а разделяются под действием электрического поля, возникающего внутри элемента.

Стоимость фотоэлектрической электростанции определяется в первую очередь стоимостью кремния высокой чистоты, используемого в производстве фотоэлементов, и КПД фотоэлемента, составляющим для наиболее распространенных фотоэлементов порядка 15%. Прогнозируется существенное снижение цен на фотоэлементы и повышение их КПД в связи с расширением производства кремния высокой чистоты и промышленным освоением более эффективных конструкций фотоэлементов.

Гелиотермический способ основан на концентрации солнечных лучей с помощью зеркал различной формы. В точке концентрации солнечных лучей размещают теплоноситель (например, воду), который превращается в пар и приводит в действие турбину.

Рассмотрим устройства, которые можно применять в учебных заведениях (в нашем случае в техникуме):

• гелиоустановки для горячего водоснабжения и отопления корпусов;
• прозрачные солнечные концентраторы, позволяющие аккумулировать электроэнергию для работы компьютеров и систем освещения.

Наиболее подходящая область использования солнечной энергии – подогрев воздуха и воды. В районах с холодным климатом необходимы отопление жилых зданий и горячее водоснабжение. В промышленности также требуется большое количество горячей воды. В Австралии, например, на подогрев жидкостей до температур ниже 100°С расходуется почти 20% потребляемой энергии. В связи с этим в некоторых странах, особенно в Австралии, Израиле, США, Японии, активно расширяется производство солнечных нагревательных систем.

Один из возможных способов горячего водоснабжения и отопления корпусов техникума – это приобретение солнечного коллектора Сокол, который может использоваться как основной или дополнительный нагреватель в системе горячего водоснабжения.

Главной особенностью солнечного коллектора Сокол является многослойное оптическое селективное покрытие на тепловоспринимающей панели, выполненное методом вакуумного напыления. Оно обладает высокой степенью поглощения всего спектра солнечного излучения и минимальной излучательной способностью (степень черноты не хуже 0,1). Благодаря этому эффективность солнечного коллектора (преобразования солнечной энергии в тепловую) достигает 80%. Данная характеристика была подтверждена ведущим европейским институтом солнечной техники SPF Solartechnik (Швейцария), в результате проводимых опытов и испытаний.

Что касается эксплуатационных характеристик, то:

• при окружающей температуре до -5…-10 °С и влажном климате эффективнее конструкции солнечного коллектора нет;
• при более низкой температуре солнечный коллектор Сокол сохраняет свою работоспособность;
• при -21 °С в декабре месяце 200 литров нагреваются одним (!) солнечным коллектором с +8 °С до +32 °С.

Срок полной окупаемости установки с солнечными коллекторами СОКОЛ составляет 3-4 года.

В качестве аккумуляторов энергии, которую в техникуме можно использовать для обеспечения освещения аудиторий техникума и для работы многих электрических устройств, в том числе компьютеров, предлагаем использовать – прозрачные солнечные концентраторы.

Уникальный солнечный концентратор способен преобразовывать в электричество лишь ультрафиолетовую, не воспринимаемую человеческим глазом, часть солнечного спектра, разработанный группой исследователей из Университета штата Мичиган, под руководством Ричарда Лунта. Материал прозрачен (рисунок 1) для видимого света, а это значит, что такие прозрачные солнечные панели можно легко вставлять вместо оконного стекла, при этом окно будет смотреться совершенно привычно, словно в нем обычное стекло, но попутно будет вырабатываться электричество. Разработка получила название прозрачный люминесцентный солнечный концентратор.

Уже широко известны окрашенные люминесцентные солнечные концентраторы, в которых часть спектра падающего на концентратор излучения поглощается в окрашенном верхнем слое, затем переизлучается с большей длиной волны. Потом через второй, прозрачный слой, излучение направляется к боковой грани концентратора, где расположена линейка фотодиодов, преобразующих излучение в электрическое напряжение.

Когда прямой солнечный свет падает на верхний слой концентратора, он имеет определенное направление. Но когда происходит переизлучение, после того, как солнечный свет поглощен, лучи света уже имеют разные направления. Получается, что в разных направлениях излучается примерно одинаковое количество света.

Если угол падения переизлученных лучей на границе стекло–воздух больше определенного значения, то отражение происходит обратно внутрь стекла, затем лучи падают на противоположную границу, там снова отражаются под тем же углом, и так через несколько отражений в конце концов, луч попадает на боковую грань концентратора. На боковой грани расположена линейка фотодиодов, которая преобразует энергию лучей в электричество.

По причине того, что переизлучение света происходит равномерно во все стороны, большая его часть, почти 80%, падает на границы стекла под углом, который именно больше критического, и потому переносится к линейке фотодиодов на боковых гранях стекла.

Применение солнечных концентраторов в учебных заведениях имеет существенные преимущества:

• во-первых, в отличие от обычных солнечных панелей, где фотоэлектрические преобразователи покрывают всю поверхность, здесь преобразователи расположены на гранях, это снижает стоимость;
• во-вторых, в силу прозрачности, такой концентратор можно вставлять как обычное оконное стекло.

Конечно же пока есть и недостатки, первый из которых заключается в низком КПД, ведь здесь он значительно ниже, чем у обычных солнечных панелей, а второй – в том, что свет, падающий в помещение не чистый, а слегка красноватый. Другими словами, обычный прозрачный солнечный концентратор является все же цветным, а не прозрачным.

Второй недостаток уже удалось устранить исследователям из Университета штата Мичиган. Ученые изготовили верхний слой из органических молекул, обладающих особым свойством. Они поглощают не только ультрафиолетовую, но и часть инфракрасного спектра, переизлучая затем ее в инфракрасный же свет, но уже с другой длиной волны.

В результате, учеными получен совершенно по-новому работающий концентратор, который не поглощает и не излучает в видимом диапазоне спектра, то есть воспринимается человеческим глазом как обычное прозрачное стекло. Сейчас достигнута эффективность преобразования солнечной энергии образцом в 1%, но разработчики говорят, что на данный момент их цель – повысить её до 5%. Эффективность же лучших из окрашенных люминесцентных солнечных преобразователей доходит до 7%.

Полученные параметры позволяют внедрить данную технологию в качестве оконного стекла зданий учебных учреждений, фасады которых могут быть полностью оснащены такими прозрачными панелями. Кроме того данная технология уже используется в экранах различных мобильных устройств, таких как электронные книги, планшеты, смартфоны, ведь главная задача разработчиков была сделать солнечные концентраторы незаметными, как привычные стекла.

Вывод

Постепенный переход на возобновляемую энергетику одновременно означает переход на новую, высшую ступень энергетической эффективности.

В России уже имеется достаточно большой опыт применения данных установок для южных регионов и определены сроки энергоокупаемости, что свидетельствует о перспективности и приоритетности данного направления использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Применение предложенных устройств позволяют сократить расходы бюджета при экономии потребляемой электроэнергии, материальная окупаемость произойдет не сразу, а экологически выгодным будет сразу же.

Перечень ссылок

1. Сибикин Ю. Д., Сибикин М. Ю. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Учебное издание. – М.: ИП РадиоСофт, 2008;
   
2. Городов Р.В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие / Р.В. Городов, В.Е. Губин, А.С.Матвеев. – 1-е изд. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. – 294 с.;
   
3. Электронный ресурс. http://neoenerg.ru.
   
4. Электронный ресурс. www.solarhome.ru.