Излучение Солнца все время несет к Земле энергию. Это, по существу, электромагнитная энергия. Спектр электромагнитного излучения Солнца лежит в широком диапазоне: от радиоволн до рентгеновских лучей. Максимум его интенсивности приходится на видимый свет, а именно — на желто-зеленую часть спектра. В целом можно сказать, что энергия солнечного излучения управляет жизнью на Земле, климатом и погодой на нашей планете — вся живая природа на Земле обязана своим существованием Солнцу.
Дело в том, что от Солнца - к верхним слоям земной атмосферы непрерывно поступает в форме излучения мощность порядка 174 петаватт (пета - 10 в 15 степени). При этом 16% поступающей энергии поглощается верхними слоями атмосферы, а 6% - отражается от нее. В зависимости от погодных условий, в средних слоях атмосферы также происходит отражение до 20%, а поглощается около 3% приходящей от Солнца энергии.
Таким образом, наша атмосфера рассеивает и фильтрует значительную часть спектра, пропуская, однако, к поверхности земли немалую его долю в форме инфракрасного и немного ультрафиолетового. В результате мы можем наблюдать круговорот воды в природе, фотосинтез растений, и имеем среднюю температуру земной поверхности около 14°C.
Технология, позволяющая человечеству использовать данную энергию практически и осознанно, называется солнечной энергетикой. И такое положение не лишено здравых оснований, ведь по оценкам ученых потенциал энергии Солнца, которая может быть принята на поверхности земли и преобразована в полезную для человека форму, составляет на сегодняшний день в максимуме почти 49,9 эксаджоуль в год (экса — 10 в 18 степени), что в 10000 превосходит нынешние потребности человечества.
Даже в Германии, где климат не особо солнечный, энергия, которую можно было бы в идеале получить от Солнца, в 100 крат превзошла бы потребности всей страны. А в Австрии на 1 квадратный метр поверхности земли приходится до 1480 кВт⋅ч в год. И лишь 50% этой энергии принимается в стране солнечными концентраторами, осуществляющими нагрев теплоносителя в своем фокусе.
Далее давайте рассмотрим наиболее приемлемые на сегодняшний день способы преобразования солнечной энергии, и оценим их коэффициент полезного действия (КПД).
Солнечный коллектор
Солнечные коллекторы, хотя и относятся к низкотемпературным установкам, тем не менее они позволяют добывать примерно 1250 кВт⋅ч на квадратный метр энергии в год. Энергия получается здесь в форме тепла, пригодного для промышленного отопления и обеспечения горячего водоснабжения.
Практически установка преобразует энергию, даваемую видимым светом и ближним инфракрасным излучением, - в тепло, поскольку разогревается здесь теплоноситель — вода. При отсутствии забора тепла (застое) коллекторы такого плана способны нагреть воду до 200°C.
Установка имеет покрытие из специального абсорбера, хорошо поглощающего солнечное излучение, и передающего тепло теплопроводящей системе. Селективное покрытие обычно представляет собой черный никель или напыление оксида титана. Среднестатистический КПД таких установок 50%.
Допонительно: В чем преимущество солнечных коллекторов по сравнению с традиционными котельными
Параболоцилиндрическое зеркало
Установки на базе параболоцилиндрических зеркал относятся к среднетемпературным установкам. Они позволяют получать 375 кВт⋅ч на квадратный метр электрической и тепловой энергии в год. В фокусе такой установки располагается трубка (внутри которой теплоноситель — масло) или фотоэлектрический преобразователь. Масло в трубке разогревается здесь до 350°C и даже больше.
Одно параболоцилиндрическое зеркало, из которых набирается крупная электростанция, имеет протяженность до 50 метров. Термальная эффективность параболических концентраторов доходит до 73 % при температуре нагрева теплоносителя 350°C. Средний КПД подобных установок доходит до 20%.
Гелиостатные системы
Гелиостатные системы относятся к высокотемпературным установкам. На них получают 500 кВт⋅ч на квадратный метр электрической энергии в год, кроме того гелиостатные установки дают возможность получать и тепловую энергию. Здесь нагревается теплоноситель на основе натрия и газ (двухконтурная система с термической солью). Множество зеркал отражают солнечное излучение, направляя его на емкость с теплоносителем, расположенную на вершине башни. КПД таких систем достигает 20%.
Солнечная батарея
Солнечные батареи (солнечные фотоэлектрические панели) относятся к электроэнергетическим установкам, и позволяют получать при помощи фотоэлектрических преобразователей 250 кВт⋅ч электроэнергии в год. Их эффективности бывает достаточно чтобы обеспечить электричеством небольшое домашнее хозяйство в солнечном регионе, также небольшие солнечные панели в состоянии снабжать электроэнергией дорожные знаки, осветительные приборы, оросительные системы и т. д.
Солнечные элементы, изготовленные из поли- или монокристаллических кремниевых пластин, представляют собой полупроводниковые p-n-переходы большой площади. Они преобразуют солнечный свет непосредственно в электрическую энергию с помощью с фотоэлектрического эффекта (фотоэффекта).
В настоящее время фотоэлектрические панели преобразуют большую часть спектра видимого света и около половины спектра ультрафиолетового и инфракрасного света в полезную (электрическую) энергию.
Эффективность солнечной батареи (панели) — это мера ее способности преобразовывать солнечный свет в электричество. Только у солнечного света есть определенная энергия, которая эффективно создает электричество, и большая часть его тратится впустую на отражение или поглощение материалом, из которого сделаны солнечные панели.
На сегодняшний день эффективность солнечных батарей оставляет желать лучшего, их средний КПД относительно невысок, около 10 - 15%. На их характеристики сильно влияет температура панели и интенсивность падающего на нее солнечного излучения.
Не очень большая эффективность требуют создания массивов из солнесных панелей большего размера из-за чего они, в конечном счете, имеют более высокую стоимость.
Но эта технология все время совершенствуется. Развертывание солнечных панелей в ближайшем будущем будет продолжать ускоряться под влиянием нескольких факторов. К ним относятся снижение затрат на панели из-за улучшения базовой технологии (повышение эффективности преобразования солнченой энергии), а также эффективности производства и масштабирования, продвижение технологии правительствами стран за счет субсидий на первоначальные установки.
Смотрите также:
Характеристики солнечных батарей
Солнечные батареи с рекордным КПД
5 необычных солнечных батарей будущего
Андрей Повный
