Сонячна енергія - це Використання сонячних батарей

В останні роки вчених особливо цікавлять альтернативні джерела енергії. Нафта і газ рано чи пізно закінчаться, тому подумати про те, як ми будемо виживати в цій ситуації, доводиться вже зараз. В Європі активно використовуються вітряки, хтось намагається витягти енергію з океану, а ми поговоримо про сонячної енергії. Адже зірка, яку ми практично щодня бачимо в небі, може допомогти нам зберегти невідновлювані ресурси і поліпшити екологічну обстановку. Значення сонця для Землі важко переоцінити – вона дає тепло, світло і дозволяє функціонувати всьому живому на планеті. Так чому б не знайти йому ще одне застосування?

Трохи історії

В середині 19 століття фізик Олександр Едмон Беккерель відкрив фотогальванічний ефект. А до кінця сторіччя Чарльз Фріттс створив перший прилад, здатний переробляти сонячну енергію в електрику. Для цього використовувався селен, покритий тонким шаром золота. Ефект був слабким, але саме це винахід часто пов'язують з початком ери сонячної енергії. Деякі вчені не згодні з таким формулюванням. Вони називають родоначальником ери сонячної енергії всесвітньо відомого вченого Альберта Ейнштейна. У 1921 році він отримав Нобелівську премію за пояснення законів зовнішнього фотоефекту. Здавалося б, сонячна енергія – це перспективний шлях розвитку. Але існує чимало перешкод для того, щоб вона увійшла у кожний дім – в основному, економічних і екологічних. З чого складається вартість сонячних батарей, якої шкоди вони можуть завдати навколишньому середовищу та які ще існують способи отримання енергії, дізнаємося нижче.

Способи накопичення

Самої актуальним завданням, зв'язаної з прирученням енергії сонця, є не тільки її отримання, але й акумуляція. І саме це є найскладнішим. В даний час вченими було розроблено 3 способи повноцінного приручення сонячної енергії. Перший заснований на використанні параболічного дзеркала і трохи нагадує гру з лупою, яка всім знайома з дитинства. Крізь лінзу світло проходить, збираючись в одній точці. Якщо в цьому місці покласти шматочок паперу, вона загориться, оскільки температура схрещених сонячних променів неймовірно висока. Параболічне дзеркало являє собою увігнутий диск, що нагадує неглибоку миску. Це дзеркало, на відміну від лупи, не пропускає, а відбиває сонячне світло, збираючи його в одній точці, яка зазвичай спрямована на чорну трубу з водою. Такий колір використовують тому, що він найкраще поглинає світло. Вода в трубі під дію сонячних променів нагрівається і може використовуватися для отримання електрики або для опалення невеликих будинків.

Плоский нагрівач

У цьому способі використовується зовсім інша система. Приймач сонячної енергії виглядає як багатошарова конструкція. Принцип його роботи виглядає так. Проходячи через скло, промені потрапляють на затемнений метал, який, як відомо, краще поглинає світло. Сонячна радіація перетворюється в теплову енергію і нагріває воду, яка знаходиться під залізною пластиною. Далі все відбувається як у першому способі. Нагріту воду можна використовували для опалення приміщень або для отримання електричної енергії. Правда, ефективність такого методу не настільки висока, щоб використовувати його повсюдно.
Як правило, отримана таким чином сонячна енергія – це тепло. Для отримання електрики набагато частіше використовують третій спосіб.

Сонячні елементи

Найбільше ми знайомі саме з таким способом отримання енергії. Він передбачає використання різних батарей або сонячних панелей, які можна зустріти на дахах багатьох сучасних будинків. Такий спосіб складніший раніше описаних, але є набагато більш перспективним. Саме він дає можливість перетворення енергії сонця в електрику в промислових масштабах. Спеціальні панелі, призначені для вловлювання променів, роблять із збагачених кристалів кремнію. Сонячне світло, потрапляючи на них, збиває електрон з орбіти. На його місце тут же прагне іншого, таким чином виходить безперервна рухома ланцюжок, яка і створює струм. Він при необхідності відразу використовується для забезпечення приладів або накопичується у вигляді електроенергії в спеціальних акумуляторах. Популярність цього способу обґрунтована тим, що він дозволяє одержати більш 120 Вт всього з одного квадратного метра сонячної батареї. При цьому панелі мають порівняно невелику товщину, що дозволяє розміщувати їх практично скрізь.

Типи кремнієвих панелей

Існує кілька видів сонячних батарей. Перші виконані з використанням монокристалічного кремнію. Їх коефіцієнт корисної дії становить приблизно 15%. Такі панелі сонячної батареї є найбільш дорогими. ККД елементів, виготовлених з полікристалічного кремнію, досягає 11%. Коштують вони менше, оскільки матеріал для них одержують за спрощеною технологією. Третій тип є найбільш економічним і відрізняється мінімальним ККД. Це панелі з аморфного кремнію, тобто некристалічного. Окрім низької ефективності, вони мають ще один істотний недолік – недовговічність.
Деякі виробники для збільшення ККД задіють обидві сторони панелі сонячної батареї – тильну і фронтальну. Це дозволяє вловлювати світло у великих обсягах і збільшує кількість одержуваної енергії на 15-20%.

Вітчизняні виробники

Сонячна енергія на Землі одержує все більше поширення. Навіть в нашій країні зацікавлені у вивченні цієї галузі. Незважаючи на те що в Росії не дуже активно йде розвиток альтернативної енергетики, певних успіхів вдалося досягти. В даний час створенням панелей для отримання сонячної енергії займаються кілька організацій – в основному це наукові інститути різної спрямованості і заводи з виробництва електроустаткування.

НПФ "Кварк".

ВАТ «Ковровский механічний завод».

Всеросійський НДІ електрифікації сільського господарства.

НВО машинобудування.

АТ ВИЭН.

ВАТ «Рязанський завод металокерамічних приладів».

АТВТ Правдинський дослідний завод джерел струму «Позитив».

Це тільки невелика частина підприємств, які беруть активну участь у розвитку альтернативної енергетики в Росії.

Вплив на навколишнє середовище

Відмова від вугільних і нафтових джерел енергії пов'язаний не тільки з тим, що ці ресурси рано чи пізно закінчаться. Справа в тому, що вони сильно шкодять навколишньому середовищу – забруднюють ґрунт, повітря і воду, сприяють розвитку захворювань у людей і зниження імунітету. Саме тому альтернативні джерела енергії повинні бути безпечними з екологічної точки зору. Кремній, який використовується для виробництва фотоелементів, сам по собі безпечний, оскільки є природним матеріалом. Але після його очищення залишаються відходи. Саме вони можуть завдати шкоди людині та навколишньому середовищу при неправильному використанні. Крім того, на ділянці, повністю заставленому сонячними батареями, може порушитися природне освітлення. Це призведе до змін в існуючій екосистемі. Але в цілому вплив на навколишнє середовище пристроїв, призначених для перетворення сонячної енергії, мінімально.

Економічність

Найбільші витрати по виробництву сонячних батарей пов'язані з дорожнечею сировини. Як ми вже з'ясували, спеціальні панелі створюються з використанням кремнію. Незважаючи на те що цей мінерал широко поширений в природі, з його видобутком пов'язані великі проблеми. Справа в тому, що кремній, який складає більше чверті маси земної кори, не підходить для виробництва сонячних батарей. Для цих цілей придатний тільки чистий матеріал, який отримують промисловим способом. На жаль, з піску отримати чистий кремній вкрай проблематично. За ціною даний ресурс можна порівняти з ураном, які використовуються на АЕС. Саме тому вартість сонячних батарей у даний час залишається на досить високому рівні.

Сучасні технології

Перші спроби приручити сонячну енергію з'явилися досить давно. З тих пір багато хто вчені активно зайняті пошуками максимально ефективного обладнання. Воно повинно бути не тільки економічно вигідними, але також компактним. Його ККД повинен прагнути до максимуму. Перші кроки до ідеального приладу для одержання і перетворення сонячної енергії були зроблені з винаходом кремнієвих батарей. Звичайно, ціна досить висока, але зате панелі можуть бути розміщені на дахах і стінах будинків, де вони нікому не заважатимуть. А ефективність таких батарей незаперечна. Але найкращий спосіб збільшити популярність сонячної енергії – зробити її дешевшою. Німецькі вчені вже запропонували замінити кремній синтетичними волокнами, які можуть бути інтегровані в тканину або інші матеріали. ККД такої сонячної батареї не дуже високий. Але сорочка з вкрапленням синтетичних волокон зможе, принаймні, забезпечити електроенергією смартфон або плеєр. Активно ведуться роботи в області нанотехнологій. Ймовірно, саме вони дозволять сонця стати найбільш популярним джерелом енергії вже в цьому столітті. Фахівці компанії Scates AS з Норвегії вже заявили, що нанотехнології дозволять скоротити вартість сонячних панелей в 2 рази.

Сонячна енергія для будинку

Про житло, яке саме себе буде забезпечувати, напевно мріють багато: немає залежності від централізованого опалення, труднощів з оплатою рахунків і шкоди для навколишнього середовища. Вже зараз у багатьох країнах активно будується житло, яке споживає тільки енергію, отриману з альтернативних джерел. Яскравий приклад – так званий сонячний дім. В процесі будівництва він потребує великих вкладень, ніж традиційний. Але зате після декількох років експлуатації всі витрати окупляться – не доведеться платити за опалення, гарячу воду та електрику. У сонячному будинку всі ці комунікації прив'язані до спеціальним фотоелектричних панелей, розміщених на даху. Причому отримані таким чином енергетичні ресурси не тільки витрачаються на поточні потреби, але і накопичуються для використання в нічний час і при похмурій погоді. В даний час будівництво таких будинків ведеться не тільки в країнах, наближених до екватора, де добувати сонячну енергію простіше всього. Зводять їх також і в Канаді, Фінляндії і Швеції.

Плюси і мінуси

Розвиток технологій, що дозволяють повсюдно використовувати сонячну енергію, могло б вестися більш активно. Але існують певні причини, за якими це все ще не є пріоритетним завданням. Як ми вже говорили вище, при виробництві панелей виробляються шкідливі для навколишнього середовища речовини. Крім того, готове обладнання містить у своєму складі галій, миш'як, кадмій і свинець. Чимало запитань викликає і необхідність утилізації фотоелектричних панелей. Через 50 років вони стануть непридатними для служби, і їх доведеться якимось чином знищувати. Чи Не завдасть це колосальний шкоди природі? Варто також враховувати, що сонячна енергія – це непостійний ресурс, ефективність якого залежить від часу доби і погоди. А це є суттєвим недоліком. Але і плюси, звичайно, є. Сонячну енергію можна видобувати практично в будь-якій точці Землі, а обладнання для її отримання і перетворення може бути настільки маленьким, що поміститься на тильній стороні смартфона. Що ще важливо, це поновлюваний ресурс, тобто кількість сонячної енергії буде залишатися незмінним ще як мінімум тисячі років.

Перспективи

Розвиток технологій у галузі сонячної енергетики має призвести до зниження витрат на створення елементів. Вже зараз з'являються скляні панелі, які можуть бути встановлені на вікнах. Розвиток нанотехнологій дозволило винайти фарбу, яка буде напыляться на сонячні батареї і зможе замінити кремнієвий шар. Якщо вартість сонячної енергії дійсно знизиться у декілька разів, її популярність також зросте багаторазово. Створення маленьких панелей для індивідуального застосування дозволить людям в будь-яких умовах використовувати сонячну енергію – вдома, в машині або навіть за містом. Завдяки їх поширенню знизиться навантаження на централізовані електромережі, оскільки люди зможуть самостійно зарядити дрібну електроніку. Фахівці компанії Shell вважають, що до 2040 року близько половини енергії у світі створюватиметься за рахунок поновлюваних ресурсів. Вже зараз у Німеччині споживання сонячної енергії активно зростає, а потужність батарей становить понад 35 Гігават. Японія також активно розвиває цю галузь. Дві ці країни – лідери споживання сонячної енергії в світі. Ймовірно, скоро до них приєднаються і Сполучені Штати.

Інші альтернативні джерела енергії

Вчені не перестають ламати голову над тим, що ще можна використовувати для отримання електроенергії чи тепла. Наведемо приклади найбільш перспективних альтернативних джерел енергії. Вітряки зараз можна зустріти практично в будь-якій країні. Навіть на вулицях багатьох російських міст встановлюють ліхтарі, які самі забезпечують себе електрикою за рахунок енергії вітру. Напевно їх собівартість вище середньої, але зате з часом вони цю різницю відшкодують. Досить давно була придумана технологія, що дозволяє отримувати енергію, використовуючи різницю температур води на поверхні океану і на глибині. Китай активно збирається розвивати цей напрямок. У найближчі роки біля берегів Китаї збираються побудувати найбільшу електростанцію, що працює за цією технологією. Існують і інші способи використання моря. Наприклад, в Австралії планують створити електростанцію, що генерує енергію з сили течій. Є і багато інші способи отримання електрики або тепла. Але на тлі багатьох інших варіантів сонячна енергія – це дійсно перспективний напрямок розвитку науки.