Чи перейде людство на сонячну енергетику?

Людство з кожним днем ​​краще і краще розуміє навколишній світ. Накопичуються знання про проходження різних фізичних процесів. На підставі даних вчених удосконалюються технологічні ланцюжки, поліпшуються інженерні рішення.

Є області знань, в яких кожен з помітних проривів викликає буквально ажіотаж і новини сонячної енергетики з усіх ракурсів показують виникли вигоди, невпинно переконують людство в тому, що скоро вугільні та газові станції перестануть отруювати повітря, настане щасливий час єднання з природою. Але так чи близькі такі дифірамби до правди?

трохи теорії

Спочатку розглянемо, як можна використовувати світло Сонця. Фактично, зірка передає енергію на Землю тільки одним придатним до використання способом. Сонце впливає на поверхню планети випромінюванням в широкому спектрі частот. Вузький діапазон помітний людським оком, частина потоку світла згубна для живих організмів, інша ефективно використовується для нагрівання різних тел. Якщо розглядати комплексне перетворення, можна отримати електрику двома способами:

• ініціювавши фотоелектричні процеси в деяких типах напівпровідників, отримуючи електричний струм прямим перетворенням;
• використовуючи світло сонця як джерело тепла для вже випробуваних схем генерації електроенергії.

Два наведених способу стали загальновживаними як для промислових масштабів, коли сонячна енергетика забезпечує теплом і електроенергією будинку людей і підприємства, так і в побутовій сфері з деякими особливостями використання.

Промислова генерація: водогрейкі на зірці

Сучасні ТЕС жартівливо називають водогрейкі. В основі їх роботи - принцип доведення пара до високих температур, потім отримане робоче тіло під тиском надходить на лопаті турбіни, а генератор виробляє електричний струм. Аналогічно працюють і АЕС, які жартома прозвали водогрейкі на урані, оскільки їх джерело тепла - енергія розщеплення атомних ядер.

На тому ж принципі побудовані і станції, де генерується сонячна електроенергія. У них тепло світила передається робочому тілу. Працює все наступним чином:

• електростанція являє собою установку великої площі, в центрі якої розташована висока вежа;
• навколо неї розташовані відбивачі, що встановлюються на майданчики, обладнані електроприводами;
• в ході руху Сонця по небосхилу, система відстежує становище світила і змінює кут нахилу панелей відбивачів.

В результаті випромінювання Сонця, що потрапляє на практично всю площу станції - фокусується в одній точці вершині вежі. Тут випромінювання використовується двома способами:

• електроенергія може генеруватися за допомогою газопоршневих двигунів, джерелом живлення яких сонячна енергетика використовує нагрітий до високої температури газ під тиском;
• тепло може передаватися робочому тілу (найчастіше - сольовому розплаву з дуже високою середньою температурою рідинного стану) з наступним нагріванням води з його допомогою.

Варто відзначити, що більшість промислових водогреек на зірці, сонячних станцій описаного типу - використовують другий принцип перетворення. Робоче тіло великого обсягу має стабільні характеристики і може плавно віддавати накопичені Джоули для отримання електрики.

Іншу конструкцію, але той же самий принцип передачі енергії світла теплоносія мають сонячні станції другого типу. Тут на великій площі розташовані дзеркала, що представляють собою половину циліндра великого діаметру. У фокусної зоні - проходить трубка з теплоносієм. Електропривод, завдання якого полягає в спостереженні за положенням Сонця - простіше, він рухає відбивач в одній галузі свободи.

Багатометрові ряди дзеркал фокусують випромінювання на трубці з робочим тілом, передаючи енергію теплоносітелю.Ціркуляціонний насос станції перекачує розплав з основного резервуара до досягнення робочої температури. Спорудження станції обходиться дешевше, аналогічно - нижче витрати на обслуговування систем електроприводу дзеркал.

Промислове виробництво: сонячні ферми

Сонячна енергетика в світі застосовує і пряме перетворення світла в електричний струм за допомогою процесів в напівпровідниках. Промислові станції такого типу - це тисячі квадратних метрів пластин кристалічних елементів, кожен з яких генерує дуже маленьке напруга і струм при впливі сонячного випромінювання.

Сполучаються в складні схеми, панелі кристалів формують окремі блоки, кожен з яких видає відповідні для перетворення в промислові стандарти параметри енергії. До складу інженерного рішення входять перетворювачі і стабілізатори напруги, системи контролю і охолодження, а також автоматичні інструменти діагностікіполупроводніков.

Подібна станція може працювати вічно. Обслуговування панелей зводиться до підтримки чистоти їх поверхні. Більш складні рішення передбачають застосування електроприводів, які будуть відстежувати положення Сонця і розташовувати фотоелементи перпендикулярно потоку випромінювання для підвищення ККД станції в цілому.

Які проблеми обмежують масове використання сонячної енергії

Головна проблема, через яку Сонце все ще не стало основним джерелом електроенергії - тимчасова нестабільність. Можна отримати величезну кількість мегават в світлий час доби, але вночі віддача станцій - нульова. До того ж планета не освітлені рівномірно. Сучасні сонячні станції будуються в пустелях, де світило знаходиться близько до зеніту, кількість безхмарних днів майже дорівнює річній кількості діб.

Основну проблему, коли днем ​​енергія в надлишку, а в пікові вечірні години настає енергетичний голод - намагаються вирішити. Розробляються системи зберігання робочого тіла, яке буде підігрітий протягом світлового дня. Термоси многометровой висоти здатні зберегти досить тепла, щоб використовувати його для отримання електроенергії в нічні години. Однак спорудження таких структур ще більше здорожує проект станції, збільшує термін її окупності, підвищує витрати на обслуговування, рівень аварійної небезпеки і підсумкову вартість електроенергії.

Фактично, на сьогодні сонячна енергетика промислового класу неймовірно дорога. Станція, побудована компанією Google, показала фактичні витрати будівництва на рівні 17870 доларів за 1 кВт потужності при оцінці річного виробітку. Для порівняння, атомну станцію можна побудувати з показниками витрат від 2000 до 4000 доларів за кіловат, а газової ТЕС - від 700 до 900 доларів.

Застосування Сонця в побуті

Коли були введені в експлуатацію перші промислові проекти і стали точно видно перспективи сонячної енергетики, голоси тих, хто кричав «наше світило може замінити вугілля, газ, атом» - значно вщухли. Прориви в технологіях напівпровідників дали можливість заявляти про те, що в побуті можна обійтися без традиційних енергоносіїв.

Сьогодні сонячні батареї просуваються на ринку як панацея, позбавлення від комунальних витрат, можливість побудувати повністю незалежне житло. Не вдаючись в деталі, скажімо прямо. Повністю незалежну структуру з деякими обмеження побудувати можна. Однак знадобляться:

• величезні площі фотоелектричних батарей;
• значні ємності акумуляторів;
• комп`ютерні системи контролю і управління електроживленням;
• сучасні побутові прилади з максимально зниженим споживанням потужності.

Однак відразу варто зазначити: ні про яке нагріванні води електрикою не може бути й мови. Для обігріву знадобиться газовий або твердопаливний котел, при бажанні працювати на настільному комп`ютері доведеться витратитися на хороші акумулятори, кожен додатковий ват споживання збільшить необхідні фінансові вкладення.

Тому сонячні батареї в побуті служать як якийсь стабілізуючий джерело енергії. Вони насичують ліхтарі, які горять вночі за рахунок накопиченої днем ​​енергії. Використовуються для живлення систем контролю сонячних водонагрівальних колекторів. Застосовуються як джерело живлення слаботочной електроніки. Однак прихильникам зеленої енергетики не варто сумувати: попереду у людства, без сумніву, ще багато відкриттів в області фізики і технологій, які зможуть здешевити електрику, що отримується за допомогою сонячного світла.