Солнечный генератор – альтернативный источник энергии. Солнечная энергетика: надежда человечества

Энтузиасты создали «волшебный» чемоданчик, который позволит заряжать свои мобильные устройства, ноутбуки и даже налаживать освещение там, где нет электричества. Все что нужно новинке – солнечный свет.

Ученые, размышляющие, о цивилизационном развитии разумных форм жизни считают, что характеризовать их нужно в первую очередь по принципу того, как данная форма получает для своих нужд энергию. Первый этап – получение энергии из ресурсов, человечество уже минуло, и сейчас находиться в начале второго, переходного этапа своего развития – использовании энергии самого космоса.

Хотя сегодня получение электроэнергии при помощи сжигания сырья остается одним из самых популярных способов, генераторы, основанные на получении солнечной энергии, стремительно набирают популярность. Вторгается солнечная энергия в нашу цивилизацию не только на уровне высокой науки и техники, но и на вполне бытовом уровне. Уже сегодня есть множество устройств, позволяющих получать солнечную энергию. Одним из таких является и недавно созданный Kalipak Portable Solar Generator.

Название данного девайса говорит все и сразу, что о нем вообще следует знать, во всяком случае, в общих чертах. В сложенном виде выглядит Kalipak Portable Solar Generator, как чемоданчик. Первое, что следует знать, что это электрический генератор, способный аккумулировать солнечную энергию. Получение энергии производится, как несложно догадаться, при помощи раскладных солнечных батарей. Мощность солнечных панелей 20 Ватт. Вторая важная деталь – это аккумуляторы. В Kalipak используются литий-ионные батареи. Заряжать их можно как от солнца, так и предварительно от электросети дома.

Передавать имеющийся заряд энергии Kalipak может почти любым устройствам. Для этого предусмотрены сразу 4 сверхмощных USB-разъёма. Помимо них есть еще 2 отдельных порта на 12 В, которые можно использовать, например, для налаживания освещения. Что касается емкости батарей, то полного заряда хватит, чтобы зарядить 32 iPhone или 10 ноутбуков.

Отдельно следует отметить, что в переносном генераторе имеется свой жесткий диск для хранения информации с мобильных устройств и компьютеров. Есть также возможность синхронизировать датчики чемоданчика с мобильными устройствами на базе операционных систем iOS и Android.

В продолжение темы , которым не страшна самая страшная стихия.

Солнечный генератор является отличной альтернативой: он безопасен, может работать долго, в нем не нужно заменять топливо, плюс он не наносит вреда окружающей среде. Переносной солнечный генератор вполне можно собрать своими руками, стоит только следовать этим инструкциям.

Основой генератора является батарея, которая заряжается с помощью солнечных панелей. Батарея может запитать 12В лампу и одну электрическую розетку, используя преобразователь. В отличие от бензиновых или дизельных генераторов этот генератор может быть использован прямо в помещении, он не дает выхлопа и работает совершенно бесшумно. Количество генерируемой энергии регулируется исключительно емкостью батареи, поэтому вы можете собрать именно такой генератор, который вам нужен.

Можно собрать два типа генератора: "все-в-одном", где являются частью самого генератора, или раздельный вариант, в котором солнечная панель прикреплена к стене или крыше дома, а остальной механизм подключается к ней, когда нужно зарядить батарею. В обоих случаях сборка одинаковая, отличается только кожух. Раздельный генератор лучше выбирать, если вам нужно снабдить электроэнергией дачный домик или гараж, тогда как "все-в-одном" предпочтительнее, когда электроэнергия вам нужна буквально "на ходу".

Для сборки солнечного генератора вам понадобятся:

· Солнечная фотогальваническая панель - собирает солнечный свет и преобразует его в электроэнергию;

· Батарея 12В - аккумулирует энергию для дальнейшего использования;

· Контроллер заряда - останавливает работу панели, чтобы не допустить избыточной зарядки батареи;

· Преобразователь напряжения 12В-240Вт - преобразовывает полученное напряжение в переменный ток 240Вт;

· Энергосберегающая лампа на 12В (опционально) - энергоэффективный способ обеспечить яркое освещение;

· Кейс от набора инструментов (опционально) - исполняет роль кожуха для генератора.

Расчет требуемой мощности

Размер различных частей зависит от того, сколько электроэнергии вы хотите получить на выходе и как долго ваш генератор должен работать. Типичное отключение электроэнергии обычно длится меньше одного часа и в совсем редких случаях - меньше 4 часов. Во время этого отключения большинство жителей современных домов хочет, чтобы продолжал работать холодильник, и было освещение. С этими требованиями может справиться даже самая небольшая солнечная батарея.

В течение 24 часов среднестатистический домовладелец тратит около 800-1000 Вт в час . В чрезвычайных ситуациях это потребление снижается до 75-200 Вт в час - этого как раз хватает на освещение и питание таких требующих непрерывной подачи электроэнергии приборов, как холодильник или морозильная камера. На каждые 100 Вт*час вам требуется батарея емкостью 10 А*час . Таким образом, для получения 200 В т в течение четырех часов вам нужна батарея емкостью 80 A *час .

Нам понадобится свинцово-кислотная батарея (называемая также тяговой батареей). Такие батареи выглядят так же, как автомобильные аккумуляторы, но имеют другой химический и механический состав. Для нашего генератора нельзя использовать автомобильные аккумуляторы, потому что их конструкция не предполагает полную разрядку, и они испортятся, как только это произойдет. Свинцово-кислотные батареи можно купить в специализированных магазинах, где продаются батареи и автомастерских.

Когда вы рассчитаете емкость батареи, можно вычислить размер солнечной панели. Он будет зависеть от того, как часто вы планируете использовать генератор, насколько велика емкость батареи и сколько солнечного света проникает в ту местность, где вы планируете его использовать. Если солнечная панель будет установлена снаружи в южном направлении под углом приблизительно 45°С, она будет производить зимой за день примерно в 2-2.5 раза больше , чем указано в технических характеристиках, а летом - больше в 4-8 раз .

Обязательным требованием является быстрая подзарядка, чтобы генератор достаточно скоро снова стал готов к использованию. Однако если вы выберете слишком большую солнечную панель, ее будет очень сложно окупить, а большинство вырабатываемой ею энергии будет уходить в никуда. Компромиссным решением будет приобретение батареи, полная подзарядка которой будет занимать около 10-15 дней . Не пытайтесь заряжать батарею частично, это быстро приведет ее в негодность. Всегда можно дополнить солнечную панель другим источником питания, чтобы быстрее зарядить батарею.

Чтобы рассчитать мощность солнечной панели, возьмите емкость батареи в А*час и умножьте ее на количество В (обычно 12). Разделите полученное число на 2.5 (часа на подзарядку солнечной энергией в день в зимнее время) и разделите на количество дней, за которое вы предполагаете полностью заряжать батарею. Число, которое получится в результате, и есть мощность солнечной панели (в Вт).

Например, батарея с показателями 12В 80А*час дает 960Вт*час энергии.

960/2.5 часа = 384.

384/15 дней = 25.6 Вт - такова требуемая мощность солнечной панели.

Преобразователи напряжения

Преобразователи берут напряжение 12В из батареи и преобразовывают его в переменный ток 240В. Существует множество вариантов преобразователей мощностью от 75Вт до 3КВт, и очень важно не перегружать их. Преобразователи могут сильно нагреваться во время работы, поэтому если вы хотите поместить детали генератора в кейс, очень важно оставить достаточно места вокруг преобразователя, чтобы не перегреть остальные элементы. Во время покупки преобразователя рекомендуем выбирать тот, в котором есть защита от недостатка мощности. Когда заряда в батарее останется совсем мало, преобразователь выключится, вместо того, чтобы разряжать батарею полностью. Полная разрядка свинцово-кислотной батареи опасна тем, что может повредить или разрушить батарею, так что лучше этого избегать.

Сколько мощности потребляют устройства

Вы можете узнать, сколько мощности потребляют используемые вами устройства, прочитав информацию либо на задней панели или дне устройства, либо на наклейке на адаптере. Чаще всего эти данные указываются в вольтах и амперах. Например, преобразователь ноутбука может иметь напряжение 19.5В и силу тока 4.5А. Перемножив две эти величины, можно узнать, сколько ватт в час использует устройство - таким образом, получим, что ноутбук потребляет максимум 88Вт*час .

Сложно привести здесь таблицу потребления электроэнергии, так как требования сильно различаются от модели к модели даже одного устройства. Кроме того, многое зависит от класса энергоэффективности устройства. Примерный расход основных приборов указан в таблице 1:

Таблица 1. Потребление энергии различными приборами.

Энергосберегающая лампа
Холодильник класса А
Морозильная камера класса А
Холодильник класса F	150-180В*час
Барабанная сушилка	1200-1400В*час
Посудомоечная машина класса А
Посудомоечная машина класса Е	150-200В*час
Персональный компьютер с монитором	350-450В*час
24" ЭЛТ телевизор
15" телевизионная плоская панель
32" телевизионная плоская панель	240-300В*час
Маленькая микроволновая печь
Большая микроволновая печь
Энергоэффективный пылесос
Вентилятор
Энергоэффективный чайник

Как видно из этой таблицы, в каждом доме находятся приборы, которые потребляют очень много электроэнергии. Когда вы планируете свой генератор, таких приборов по возможности нужно избегать. Например, вместо того чтобы разрабатывать солнечную батарею больших размеров, гораздо эффективнее перейти на обогрев помещения и приготовление пищи с помощью газа.

Выбор солнечной фотогальванической панели.

Существует два вида солнечных панелей - аморфные и кристаллические.

Аморфные панели больше по размеру, так как они наименее эффективны под прямыми солнечными лучами. Зато такие панели генерируют большую часть энергии в условиях слабого освещения и могут заряжаться даже от лунного света и уличных фонарей.

Кристаллические панели меньше аморфных примерно в 3 раза, что делает их портативными и более простыми в установке. Их цена выше, чем у аморфных панелей, однако можно найти варианты, сходные по цене.

Сборка генератора

Шаг 1 - монтаж генератора

Для начала мы взяли старый источник бесперебойного питания без батареи, вскрыли его и вынули все части из кожуха. Вы, конечно, можете оставить кожух: между нами, это гораздо безопаснее, чем валяющиеся тут и там провода, подключенные к 230В. Но мы хотели поместить генератор в пластиковый кейс для инструментов, чтобы генератор было удобно переносить. В ИБП первым делом нужно отключить сигнал, который непрерывно пищит при отключении электроэнергии. Это было достигнуто путем отсоединения спикера с помощью небольшой отвертки. После чего все батареи были соединены параллельно между собой и присоединены к ИБП.

При присоединении батарей очень важно соблюдать полярность. Так как они присоединены параллельно, наш генератор будет работать даже в случае неверной полярности некоторых из них, но тогда батареи быстро будут выходить из строя.

Проверка шага 1

Прежде чем присоединять солнечную панель, необходимо убедиться в том, что генератор работает. У нас было 2 12В батареи, одна емкостью 14А*час, вторая - 4.5А*час, что в сумме дало 18А*час , с которыми можно было работать. Принимая во внимание КПД батарей и утечки через преобразователь, мы должны были получить приблизительно 200Вт мощности - достаточно для того, чтобы запитать дом в чрезвычайной ситуации на 2 часа .

После включения ИБП в сеть и полной зарядки батарей мы отключили устройство от сети, подключили к нему телевизор, ноутбук и настольную лампу и оставили эти приборы включенными до тех пор, пока батареи не сели. Суммарная мощность, которая требовалась этим приборам, равнялась 189Вт . Генератор смог поддерживать питание 1 час 4 минуты до полной разрядки - всего 201Вт мощности .

Шаг 2 - присоединение солнечной батареи

Контроллер заряда - один из самых важных частей этого набора, он не дает батареям перезарядиться. Избыточный заряд очень опасен для батарей, так как может их испортить. В самом худшем случае батареи могут загореться или взорваться. Контроллер и панель были подключены, как указано на рисунке:

Проверка шага 2

Мы вынесли генератор наружу, так как день был достаточно солнечным, и проверили его тестером, чтобы никто не ударился током о корпус ИБП. Наша панель посылала приблизительно 720-780мА на батареи, что эквивалентно примерно 9Вт мощности при 17.2В - вполне достаточно для подзарядки 12В батарей. Исходя из этого, было подсчитано, что полная зарядка батарей займет от 3 до 7 дней , если панель будет получать хотя бы немного прямого солнечного света каждый день.

Шаг 3 - окончательная сборка

Последним шагом является помещение всей конструкции в кейс. Нашей целью была переносная система, поэтому очень важно убедиться в том, что батареи уложены тщательно. Мы использовали широкие липучки, чтобы все хорошо закрепить. Солнечная панель была прикреплена к внешней поверхности кейса с помощью строительного цемента. После чего все остальные детали были уложены в кейс так, чтобы снаружи нельзя было получить смертельный заряд от проводов.

Проверка шага 3

Мы еще раз проверили все с помощью тестера. После чего запитали батареи и попробовали поработать на свежем воздухе дрелью. Все работало так, как ожидалось.

Подводя итог

Для устройства стоимостью менее £50 у нас получился отличный солнечный генератор. Его можно взять с собой куда угодно, использовать как снаружи, так и в помещении. Он может быть заряжен быстро от сети и медленно от солнечной батареи. Он может как выдавать много энергии сразу - до 10А в случае необходимости - так и обеспечивать меньшую мощность для поддержания работы необходимых электроприборов в течение 2 часов в случае отключения электроэнергии. Также он удобен при переноске, поэтому можно легко получить электроэнергию там, где это необходимо, например, в саду. А благодаря отсутствию вредных выхлопов его можно использовать в неснабженных электричеством помещениях, что намного безопаснее, чем протянутые по полу провода.

Статья переведена с английского языка специально для интернет-портала "Энергоэффективная Россия"

Направления научных исследований [ | ]

Фундаментальные исследования [ | ]

Прикладные исследования [ | ]

• Фотоэлектрические преобразователи работают днём и с меньшей эффективностью работают в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, производимая ими электроэнергия может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Для преодоления этих недостатков на солнечных электростанциях используются эффективные электрические аккумуляторы (на сегодняшний день это недостаточно решённая проблема), либо преобразуют в другие виды энергии, например, строят гидроаккумулирующие станции , которые занимают большую территорию, или концепцию водородной энергетики , которая недостаточно экономически эффективна. На сегодняшний день эта проблема просто решается созданием единых энергетических систем, которые перераспределяют вырабатываемую и потребляемую мощность. Проблема некоторой зависимости мощности солнечной электростанции от времени суток и погодных условий решается также с помощью солнечных аэростатных электростанций.
• Сравнительно высокая цена солнечных фотоэлементов. С развитием технологии и ростом цен на ископаемые энергоносители этот недостаток преодолевается. В - гг. цены на фотоэлементы снижались в среднем на 4 % в год.
• Поверхность фотопанелей и зеркал (для тепломашинных ЭС) нужно очищать от пыли и других загрязнений. В случае крупных фотоэлектрических станций, при их площади в несколько квадратных километров это может вызвать затруднения, но применение отполированного стекла на современных солнечных батареях решает эту проблему.
• Использование одно- и двухосевых трекеров (следящих систем) и систем с изменяемым углом наклона фотоэлектрических модулей позволяет оптимизировать угол падения солнечных лучей на модули в зависимости от времени суток и времени года. Однако практика показала низкую эффективность этих систем ввиду их высокой стоимости (относительно стремительно дешевеющих фотомодулей), дополнительных затрат энергии (для трекеров) либо на работы по изменению угла наклона (для систем с изменяемым углом), невысокой надёжности, в частности - ввиду постоянных атмосферных воздействий, необходимости регулярного обслуживания и ремонтов, а также повреждений модулей и электрического оборудования, вызванных регулярными механическими операциями .
• Эффективность фотоэлектрических элементов падает при их нагреве (в основном это касается систем с концентраторами), поэтому возникает необходимость в установке систем охлаждения, обычно водяных. Также в фотоэлектрических преобразователях третьего и четвёртого поколений используют для охлаждения преобразование теплового излучения в излучение наиболее согласованное с поглощающим материалом фотоэлектрического элемента (так называемое up-conversion), что одновременно повышает КПД .
• Через 30 лет эксплуатации эффективность фотоэлектрических элементов начинает снижаться. Отработавшие своё фотоэлементы, хотя и незначительная их часть, в основном специального назначения, содержат компонент (кадмий), который недопустимо выбрасывать на свалку. Нужно дополнительное расширение индустрии по их утилизации .

Экологические проблемы [ | ]

При производстве фотоэлементов уровень загрязнений не превышает допустимого уровня для предприятий микроэлектронной промышленности. Современные фотоэлементы имеют срок службы 30-50 лет. Применение кадмия , связанного в соединениях, при производстве некоторых типов фотоэлементов с целью повышения эффективности преобразования, ставит сложный вопрос их утилизации , который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения, хотя такие элементы имеют незначительное распространение, и соединениям кадмия при современном производстве уже найдена достойная замена.

В последнее время активно развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов, в составе которых содержится всего около 1 % кремния , по отношению к массе подложки, на которую наносятся тонкие плёнки. Из-за малого расхода материалов на поглощающий слой, здесь кремния, тонкоплёночные кремниевые фотоэлементы дешевле в производстве, но пока имеют меньшую эффективность и неустранимую деградацию характеристик во времени. Кроме того, развивается производство тонкоплёночных фотоэлементов на других полупроводниковых материалах, в частности Смиг , достойный конкурент кремнию. Так, например, в 2005 году компания Shell приняла решение сконцентрироваться на производстве тонкоплёночных элементов, и продала свой бизнес по производству монокристаллических (нетонкоплёночных) кремниевых фотоэлектрических элементов.

Солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения земель, что приводит к сильным изменениям почвенных условий, растительности и т. д. Нежелательное экологическое действие в районе расположения станции вызывает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями. Это приводит к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров; в некоторых случаях возможны перегрев и возгорание систем, использующих концентраторы, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Применение низкокипящих жидкостей и неизбежные их утечки в солнечных энергетических системах во время длительной эксплуатации могут привести к значительному загрязнению питьевой воды. Особую опасность представляют жидкости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными веществами.

Способы [ | ]

Способы получения электричества из солнечного излучения:

Развитие [ | ]

Годовая выработка электроэнергии в мире на СЭС
Год	Энергия ТВт·ч	Годовой прирост	Доля от всей
2004	2,6	―	0,01%
2005	3,7	42%	0,02%
2006	5,0	35%	0,03%
2007	6,8	36%	0,03%
2008	11,4	68%	0,06%
2009	19,3	69%	0,10%
2010	31,4	63%	0,15%
2011	60,6	93%	0,27%
2012	96,7	60%	0,43%
2013	134,5	39%	0,58%
2014	185,9	38%	0,79%
2015	253,0	36 %	1,05 %
2016	301,0	33 %	1,3 %
Источник - Statistical Review of World Energy, 2015 - 2017

В 1985 году все установленные мощности мира составляли 0,021 ГВт.

В 2005 году Производство фотоэлементов в мире составляло 1,656 ГВт.

На начало 2010 года общая мировая мощность фотоэлементной солнечной энергетики составляла лишь около 0,1 % общемировой генерации электроэнергии .

В 2012 году общая мощность мировых гелиоэнергетических установок выросла на 31 ГВт, превысив 100 ГВт.

Крупнейшие производители фотоэлементов в 2012 году :

В 2013 году глобально было установлено 39 ГВт фотоэлектрических мощностей. В результате общая мощность фотоэлектрических установок на начало 2014 года оценивалась в 139 ГВт .

Лидером по установленной мощности является Евросоюз , среди отдельных стран - Китай: с января по сентябрь 2017 года в стране ввели в эксплуатацию 42 ГВт новых объектов фотоэлектрической генерации. По совокупной мощности на душу населения лидер - Германия.

Распространение солнечной электроэнергетики [ | ]

В 2010 году 2,7 % электроэнергии Испании было получено из солнечной энергии .

В 2011 году около 3 % электроэнергии Италии было получено из фотоэлектрических установок .

В декабре 2011 года на Украине завершено строительство последней, пятой, 20-мегаваттной очереди солнечного парка в «Перово », в результате чего его суммарная установленная мощность возросла до 100 МВт . Солнечный парк «Перово» в составе пяти очередей стал крупнейшим парком в мире по показателям установленной мощности. За ним следуют канадская электростанция (97 МВт), итальянская Montalto di Castro (84,2 МВт) и немецкая (80,7 МВт). Замыкает мировую пятерку крупнейших фотоэлектрических парков - 80-мегаваттная электростанция «Охотниково » в Сакском районе Крыма .

В 2018 г. Саудовская Аравия заявила о намерении построить крупнейшую в мире солнечную электростанцию мощностью 200 ГВт .

Рабочие места [ | ]

Перспективы солнечной электроэнергетики [ | ]

В мире ежегодный прирост энергетики за последние пять лет составлял в среднем около 50 % . Полученная на основе солнечного излучения энергия гипотетически сможет к 2050 году обеспечить 20-25 % потребностей человечества в электричестве и сократит выбросы углекислоты. Как полагают эксперты Международного энергетического агентства (IEA), солнечная энергетика уже через 40 лет при соответствующем уровне распространения передовых технологий будет вырабатывать около 9 тысяч тераватт-часов - или 20-25 % всего необходимого электричества, и это обеспечит сокращение выбросов углекислого газа на 6 млрд тонн ежегодно .

Процент обеспечения потребностей человечества к 2050 году электроэнергией, полученной на СЭС - это вопрос стоимости 1 кВт·ч при установке солнечной электростанции «под ключ» и развитости мировой энергетической системы, а также сравнительной привлекательности других способов получения электроэнергии. Гипотетически это может быть от 1 % до 80 %. Одно из чисел в этом диапазоне точно будет соответствовать истине.

В 2005 году мир прошел пик добычи нефти и с тех пор углеводородное сырье постепенно и неуклонно иссякает с ускоряющимися темпами в 5-7% в год, поэтому через 15-25 лет нефть и газ уже не будут массово использовать как топливо, и мир вынужден будет переходить полностью на альтернативные источники энергии.

солнечной электростанции значительно меньше 30 лет. Для США, при средней мощности солнечного излучения в 1700 кВт·ч на м² в год, энергоокупаемость поликристаллического кремниевого модуля с КПД 12 % составляет менее 4 лет (данные на январь 2011) .

Перспективы использования солнца для получения электричества ухудшаются из-за высоких издержек. Так, СТЭС Айвонпа обходится вчетверо дороже, а генерирует гораздо меньше электроэнергии, по сравнению с газовыми электростанциями. По подсчётам экспертов, в будущем электроэнергия, вырабатываемая этой станцией, будет стоить вдвое дороже, чем получаемая от обычных источников энергии, а расходы, очевидно, будут переложены на потребителей .

В России перспективы развития солнечной энергетики остаются неопределёнными, страна многократно отстаёт от уровня генерации европейских стран. Доля солнечной генерации составляет менее 0,001 % в общем энергобалансе. К 2020 году запланирован ввод около 1,5-2 ГВт мощностей. Общая мощность солнечной генерации может увеличиться в тысячу раз, однако составит менее 1 % в энергобалансе. Директор Ассоциации солнечной энергетики России Антон Усачев выделяет Республику Алтай , Белгородскую область и Краснодарский край как наиболее развитые регионы с точки зрения солнечной энергетики. В перспективе планируется помещать установки в изолированных от энергосетей районах .

Типы фотоэлектрических элементов [ | ]

Твердотельные [ | ]

Солнечная электростанция установленной мощностью 200Вт на основе батарей поликристаллических элементов

В настоящее время принято различать три поколения ФЭП :

• Кристаллические (первое поколение):
  • монокристаллические кремниевые;
  • поликристаллические (мультикристаллические) кремниевые;
  • технологии выращивания тонкостенных заготовок: EFG (Edge defined film-fed crystal growth technique), S-web (Siemens), тонкослойный поликремний (Apex).
• Тонкоплёночные (второе поколение):
  • кремниевые: аморфные, микрокристаллические, нанокристаллические, CSG (crystalline silicon on glass);
  • на основе теллурида кадмия (CdTe);
  • на основе селенида меди-индия-(галлия) (CI(G)S);
• ФЭП третьего поколения:
  • фотосенсибилизированные красителем (dye-sensitized solar cell, DSC);
  • органические (полимерные) ФЭП (OPV);
  • неорганические ФЭП (CTZSS);
• ФЭП на основе каскадных структур.

Солнечный транспорт [ | ]

Фотоэлектрические элементы могут устанавливаться на различных транспортных средствах: лодках, электромобилях и гибридных автомобилях , самолётах, дирижаблях и т. д.

Фотоэлектрические элементы вырабатывают электроэнергию, которая используется для бортового питания транспортного средства, или для электродвигателя электрического транспорта.

В Италии и Японии фотоэлектрические элементы устанавливают на крыши ж/д поездов. Они производят электричество для кондиционеров, освещения и аварийных систем.

Компания Solatec LLC продаёт тонкоплёночные фотоэлектрические элементы для установки на крышу гибридного автомобиля Toyota Prius . Тонкоплёночные фотоэлементы имеют толщину 0,6 мм, что никак не влияет на аэродинамику автомобиля. Фотоэлементы предназначены для зарядки аккумуляторов, что позволяет увеличить пробег автомобиля на 10 %.

В 1981 году летчик Paul Beattie MacCready совершил полет на самолёте Solar Challenger , питающемся только солнечной энергией, преодолев расстояние в 258 километров со скоростью 48 км/час . В 2010 году солнечный пилотируемый самолет Solar Impulse продержался в воздухе 24 часа. Военные испытывают большой интерес к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) на солнечной энергии, способным держаться в воздухе чрезвычайно долго - месяцы и годы. Такие системы могли бы заменить или дополнить спутники.

См. также [ | ]

Примечания [ | ]

1. (англ.) . Department of Energy . energy.gov. Проверено 2 апреля 2015.
2. Фомичева, Анастасия. «Солнечная генерация будет расти», - Сари Балдауф, председатель совета директоров энергохолдинга Fortum (неопр.) . Ведомости (03.12.2013). Проверено 3 апреля 2015.
3. Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS)
4. Philip Wolfe. Solar Photovoltaic Projects in the Mainstream Power Market. // Oxford: Routledge. - 2012. - С. 240 . - ISSN 978-0-415-52048-5 .
5. BP Statistical Review of World Energy June 2015, Renewables section , (June 2015).
6. Статистическое обозрение Всемирной энергетической организации 2017 года , (June 2017).
7. BFM.RU Солнечные технологии обеспечат четверть электричества.
8. Graph of the Day: World’s top ten solar PV suppliers. 15 April 2013 // RE neweconomy
9. Геро Рютер, Андрей Гурков. Мировая солнечная энергетика: переломный год (неопр.) . Deutsche Welle (29 мая 2013). Проверено 15 июня 2013. Архивировано 19 июня 2013 года.
10. Владимир Сидорович . В текущем году в Китае будет введено более 50 ГВт солнечных электростанций , RenEn (17.10.2017).
11. Paul Gipe Spain Generated 3 % of its Electricity from Solar in 2010 28 Январь 2011 г
12. Paul Gipe Italy Passes 7,000 MW of Total Installed Solar PV 22 Июль 2011 г.
13. Activ Solar построила в Крыму крупнейшую солнечную электростанцию в мире

Солнце является первичным и основным источником энергии для нашей планеты. Именно благодаря ему на 3емле накоплены запасы углеводородов, то есть нефти, угля, торфа, которые в настоящее время человечеством активно потребляются. Следует так же учитывать, что энергия ветра формируется за счет перепадов температур, обусловленных тепловым воздействием Солнца на землю, поэтому Солнце так же является первоисточником ветрогенерации.

Каждую секунду солнце излучает 3,75х10 26 Дж. На Землю попадает примерно 2 миллиардных доли этой энергии, из которых ~37% сразу отражается обратно в космос. Т.о. на Землю попадает лишь 6,3х10 17 Дж (за год 7х10 17 кВтч). Один Киловатт-час - это то количество энергии, которое требуется для работы одной лампочки накаливания мощностью 100 Вт в течение 10 часов. От всех источников энергии человечество потребляет приблизительно 2.5х10 16 кДж/год. Таким образом, энергия получаемая Землей от Солнца за счет излучения, в 8000 раз больше чем необходимо человечеству для удовлетворения всех его потребностей.

Учёные подсчитали, что запасы различных углеводородов на 3емле составляют примерно 6 триллионов тонн. Если исходить из этой цифры, то содержащуюся в них энергию Солнце отдает нашей планете всего за три недели. При этом резервы его настолько велики, что в таком режиме оно сможет функционировать еще около 5 миллиардов лет. Подсчитано, что земные растения и морские водоросли утилизируют примерно 34% поступающей от Солнца энергии, остальная же практически полностью теряется.

Исходя из расчетов, если покрыть 0,7% земной поверхности солнечными батареями, КПД которых составляет 10% (а в среднем КПД современных батарей 15%-40%), то полученная энергия обеспечит потребности всего человечества более чем на 100%. Если бы человек сумел взять для удовлетворения своих потребностей хотя бы один процент поступающей от Солнца энергии, то это решило бы энергетические проблемы человечества на много веков вперёд.

Что влияет на количество выработанного электричества?

Географическое положение. Количество солнечной энергии зависит и от географического месторасположения участка: чем ближе к экватору, тем оно больше.

Время года. Объём солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, отличается от среднегодового значения: в зимнее время его показатель минимален, в то время как летом достигает максимального значения.

Природные явления (осадки). Во время дождя или снега небо плотно затянуто тучами, и вследствие этого количество солнечной радиации, достигающей поверхности земли, уменьшается.

Тень от деревьев, домов. В тени количество солнечной радиации меньше, чем непосредственно на солнце. Это объясняется тем, что, попав на препятствие в виде дома или дерева, она рассеивается.

КПД солнечной фотовольтаической панели. Он определяется путём деления мощности электрической энергии на мощность солнечного света, падающего на панель. На сегодняшний день среднее значение этого показателя на практике составляет 12-25%.

Солнечная установка для дома

Солнечная электростанция для дома необходима в следующих случаях:

• Когда имеется ограничение по выделенной мощности у поставщика электроэнергии, например, ограничения в СНТ, в связи с ограниченной мощностью вводного трансформатора;
• Когда дома удалены от трансформаторной подстанции настолько, что протянуть к ним кабель или провода окажется по стоимости несоизмеримо с приобретением автономного источника электроэнергии;
• Когда надо обеспечить бесперебойное питание какой-нибудь системы, например, компьютерной сети или охранной сигнализации. В этом случае, необходимо уделить особое внимание емкости банка АКБ.

Несмотря на низкий пока еще КПД, солнечные батареи являются эффективным источником электроэнергии среди автономных и альтернативных источников питания. Одна батарея солнечных элементов площадью 10 квадратных метров способна дать больше 1 кВтч мощности, а это обеспечит нормальную работу нескольких лампочек, телевизора и компьютера.

Для загородного дома, в котором проживают 3-4 человека, в весенне-летний период и в светлое время дня может оказаться достаточно 20 квадратных метров площади солнечных батарей (это примерная ежемесячная выдаваемая мощность — 200-300 кВтч, для Московской Области летом больше, зимой меньше).

Покупая устройства для преобразования солнечной энергии в электрическую, хозяин дома обретает частичную независимость от поставщика энергии и может в перспективе, расширяя систему получает столько электроэнергии, сколько ему может понадобиться в будущем.

Для обретения полной энергонезависимости, вероятно потребуется выбрать более мощную солнечную установку, по сравнению с большинством типовых предложений на рынке, еще один вариант - установить дополнительный дизель- или газовый генератор, который будет включаться если «все совсем плохо» - пасмурно несколько дней подряд или засыпало снегом. Но, возможно, это и не нужно?

Солнечная установка для предприятия

Солнечное электричество возможно использовать для обеспечения электроэнергией разного рода предприятий - вокзалы, торговые центры, парковки, дата-центры - перечень объектов можно продолжить на несколько страниц.

При создании солнечных установок для промышленных объектов, применяют сетевые (on grid) трехфазные инверторы, мощностью от 10 кВА и выше, в зависимости от требований. Данный тип инверторов работает исключительно при наличии напряжения в сети, синхронизация выходной мощности по напряжению и частоте основной сети электроснабжения.

В случае отключения основного электропитания, остановится и солнечная генерация. Поэтому нет возможности использования таких инверторов в качестве резервного источника питания.

Оборотная сторона этого обстоятельства - отсутствие необходимости в банке АКБ, который может стоить не менее 1/3 от стоимости всей системы. Косвенно, это ускоряет окупаемость проекта на 30-40%.

Основное преимущество установки солнечных панелей на предприятиях - это конечно же существенная экономия электроэнергии. Расчеты показывают, что при условии корректной установки и эксплуатации, для большинства случаев, любая промышленная установка вернет вложенные средства в течение 3-5 лет. Эта цифра получена для московского региона. За счет чего экономия?

• Коммерческий объект потребляет большое количество электроэнергии, это означает, что практически все солнечное электричество будет использовано;
• Часто, пик потребления коммерческого объекта совпадает с пиком солнечной генерации. Пример: лето, солнце в зените, магазин продуктов, максимальное потребление электроэнергии системами кондиционирования и холодильным оборудованием;
• Стоимость киловатт часа для юридических лиц, до настоящего момента была всегда выше, чем для физических - это косвенный фактор, но он уменьшает срок окупаемости;
• Возможность увеличения подключенной мощности, без согласования с энергосбытовой компанией.

Солнечные электростанции

Солнечная электростанция - инженерное сооружение, служащее для преобразования солнечной радиации в электрическую энергию.

Солнечные электростанции разделяются на два больших класса:

Солнечные электростанции, использующие для преобразования энергии фотовольтаические ячейки, объединенные в батареи солнечных элементов (панели). Это наиболее распространенный вид преобразования. Все что было написано выше - относится к данным электростанциям. Объем генерации станции зависит от количества установленных солнечных панелей.

Этот вид электростанций подойдет либо для сетевых генерирующих компаний, представители которых навряд ли будут читать данный материал, либо для отдельно стоящих населенных пунктов с хорошей годовой инсоляцией.

Большое количество людей, проживающих в отдаленных уголках нашей родины, отрезаны от основных генерирующих мощностей. Электричество вырабатывается с помощью дизель-генераторов, а это очень дорогое электричество. Установка солнечной электростанции - приносит немедленный экономический эффект.

Основной недостаток фотовольтаической генерации - невозможность работы в ночное время суток и необходимость установки либо дополнительного генератора, либо большого банка АКБ.

Второй большой класс - солнечные электростанции, использующие тепловую энергию . Идея метода - нагревание теплоносителя с помощь солнечного излучения и подача получаемого пара на лопатки турбины генератора. Электростанции этого класса могут быть башенного и модульного типа.

В башенных солнечных электростанциях (СЭС) используется центральный приемник (емкость с теплоносителем) окруженный сфокусированной на нем обширной системой зеркальных элементов. Для максимальной передачи тепла, каждый зеркальный элемент оснащен следящей за солнцем системой. «Солнечные зайчики» фокусируются на центральном приемнике и превращаю теплоноситель пар. Пар подается на лопатки генератора, а его избыток аккумулируется внутри дополнительного резервуара, этот избыток используется для генерации электроэнергии в ночное время суток. Главным недостатком башенных солнечных электростанций являются их высокая стоимость и большая занимаемая площадь, но если с площадь в избытке, то строительство такой СЭС экономически оправдано.

Идея, лежащая в основе работы солнечных электростанций башенного типа, была высказана более 350 лет назад, однако первое строительство СЭС этого типа состоялось только в 1965г., а в 80-х годах был построен ряд мощных солнечных электростанций в США, Западной Европе, СССР и в других странах.

Одной из крупнейших башенных станций на сегодня является станция Ivanpah Solar Electric Generating System в Калифорнии. Она включает в себя три башни высотой с 40-этажные здания, а также 350 000 зеркал размером с дверь гаража. Зеркала отражают солнечный свет на котлы на вершинах башен, создавая пар, который заставляет работать генераторы. Пиковая мощность электростанции 392 мВт, она может снабжать электричеством 140 тысяч домохозяйств.

В модульных солнечных электростанциях используется большое число модулей, в каждом из которых имеется параболо-цилиндрический концентратор солнечного излучения и физически соединенный с электрогенератором приемник. Физический принцип аналогичен башенным СЭС, но технически, каждый модуль теперь является миниэлектростанцией, подключающейся к сети генерирующей компании.

Стоимость установки солнечной генерации. И когда это все окупится?

Объективно, имеется тенденция к постоянному уменьшению стоимость солнечных электростанций, это приводит к постоянному удешевлению выработанной ими электроэнергии и снижению сроков окупаемости подобных проектов. На сегодняшний день наблюдается постепенное уравнивание цен на «солнечные» киловатт-часы и киловатт-часы, полученные традиционным способом.

Анализ окупаемости учитывает такие факторы как: тип и целевое назначение солнечной электростанции, ее географическое место расположения, мощность, а также стоимость альтернативных решений, с которыми она будет сравниваться.

Стоимость существенно зависит от поставленных задач. Для дачного дома с летним проживанием и небольшими подключенным мощностями стоимость будет одна, для коттеджа с круглогодичным проживанием, стоимость увеличится пропорционально подключаемой мощности. Для коммерческого объекта стоимость подключенного киловатта часто ниже, т.к. во многих случаях отсутствует необходимость в батарее АКБ.

Срок окупаемости электростанции коммерческого объекта 3 - 5 лет, дачная система, при использовании только по выходным, окупаться будет значительно дольше (не менее 15 лет). Солнечная установка коттеджа с постоянным проживанием окупится за 7-10 лет.

Многое зависит от стоимости кВт*ч, по которому заказчик покупает электроэнергию у государства и региона установки.

Иногда компании-инсталляторы стремятся «продавать мечту», обещая практически мгновенную окупаемость солнечной установки в домохозяйстве. В каком-то проценте случаев - так и получится, но таких случаев по опыту - меньше 20%. Срок окупаемости в большей степени зависит не от цены установки, не от производителя и даже не от цены киловатт часа, а от того как именно вы потребляете электроэнергию. Если потребление небольшое, то окупаться она будет долго. Хорошая новость в том, что при малом потреблении можно существенно уменьшить первоначальные затраты.

Солнечная установка в небольшом домохозяйстве - в первую инструмент комфорта и независимости, во вторую - способ экономии.

Преимущества и недостатки

К преимуществам солнечных батарей следует отнести:

• Общедоступность и неисчерпаемость источника энергии (солнца);
• 100% экологическая безопасность;
• Возможность длительного использования - срок эксплуатации составляет 25 и более лет;
• Электричество от солнечных батарей поступает полностью автономно;
• После установки - бесплатная энергия;
• Для установки солнечных батарей не требуется никаких согласований.

Одновременно с этим они имеют и ряд недостатков:

• высокие первоначальные затраты и недостаточный КПД.
• Низкая эффективность в зимнее время, а также при пасмурной и туманной погоде.
• Потребность в дополнительном оборудовании (аккумуляторах, инверторах и т. д.) и вспомогательных помещениях для его размещения.
• Зависимость от времени года в определенных климатических поясах.

На большей части территории России единственными источниками энергии выступают дизельные или бензиновые электростанции. Для развития производства энергии на основе использования солнечной и ветровой энергетики, отвечающего современным подходам к экологии, государству необходимо заинтересовать инвесторов.

Чистый евроэксперимент

Страны Евросоюза стали внедрять использование солнечной энергии в рамках уменьшения зависимости от углеводородов и в целях снижения выбросов в атмосферу парниковых газов. Суммарная установленная мощность солнечных электростанций (СЭС) в мире к 2019 году может достичь 500 ГВт, следует из аналитического отчета международной консалтинговой компании IHS. По итогам 2014 года объем солнечной генерации составил 180 ГВт. На сегодня в солнечную энергетику во всем мире инвестировано уже более $150 млрд, ежегодно этот объем увеличивается на 15-20%.

Одним из мировых лидеров на рынке солнечной генерации является Германия, на долю которой приходится 31% совокупной мощности. Уникальная особенность производства солнечной энергии в этой стране состоит в том, что 90% всех панелей расположены на крышах домов. Причем половина солнечных электростанций принадлежит частным лицам, а не генерирующим компаниям.

Как следует из отчета международной Ассоциации производителей солнечной энергии (Solar Energy Industries Association, SEIA) и GTM Research, в Соединенных Штатах к концу этого года будет работать более миллиона солнечных установок — их количество увеличится на 36% по сравнению с 2014 годом. За последние два года в США было введено в действие больше солнечных станций, чем за предыдущие 38 лет.

Китай и Япония сейчас занимают в совокупности 50% мирового рынка солнечной энергетики. Индия в среднесрочной перспективе планирует увеличить мощность солнечных установок с 2 ГВт до 20 ГВт.

Российская альтернатива

В России доля солнечной генерации составляет лишь 0,5-0,8% от общего объема мощности электростанций. По данным заместителя министра энергетики Алексея Текслера, которые он привел в сентябре в интервью телеканалу «Россия 24», до 2024 года в России планируется ввести порядка 1,6 ГВт мощностей солнечной генерации. Первая солнечная электростанция запущена на Алтае, этой осенью ее мощность увеличена в два раза, до 10 МВт. В течение пяти ближайших лет в регионе планируется возвести еще четыре подобные электростанции. На данный момент массив солнечных батарей работает в Белгородской области. В Крыму до 20% энергии добывается за счет ВИЭ — в первую очередь солнечных батарей и ветряных электростанций.

Совокупная мощность проектов солнечных электростанций, ввод которых в эксплуатацию запланирован до конца 2015 года, составляет 175,2 МВт. В Астраханской области должны появиться солнечные электростанции совокупной установленной мощностью 90 МВт, в Оренбургской области — 30 МВт, в Белгородской области и Башкирии — по 15 МВт.

Возврат инвестиций в строительство солнечных электростанций осуществляется на основе договора о поставке мощности (ДПМ) по аналогии с традиционной генерацией. В соответствии с этим документом генерирующая компания получает плату за мощность, которую она поставляет на оптовый рынок. Параметры тарифа для каждого объекта рассчитываются отдельно.

При господдержке строятся заводы по производству компонентов для солнечных электростанций. Это позволяет выполнить требования законодательства, в соответствии с которыми до 70% оборудования для СЭС должно производиться в России. Строительство таких заводов планируется в Подмосковье и Татарстане. На данный момент уже построен завод «Хевел» по производству тонкопленочных солнечных модулей в Чувашии.

По мнению экспертов, такое оборудование слишком дорого для использования в частном секторе экономики, срок его окупаемости составляет четыре—семь лет. Поэтому киловатт электроэнергии, получаемой с применением солнечных батарей, по-прежнему значительно дороже, чем электричество по государственному тарифу.

В таких условиях рынок может эффективно развиваться только при поддержке государства. Например, Великобритания в 2013 году провела эксперимент — солнечные батареи были запущены в продажу в торговой сети. Стоимость 18 панелей составляла £5,7 тыс. ($9,2 тыс.), на их приобретение выдавались госсубсидии. В дальнейшем пользователи получали возможность продавать излишки электроэнергии государству.

Несмотря на экономический кризис, аналитики высоко оценивают потенциал отрасли. Как отмечает президент Ассоциации солнечной энергетики России Антон Усачев, в последние пять лет технологии и оборудование для производства солнечной энергетики заметно подешевели, одновременно выросла эффективность солнечных модулей. Благодаря этому уже сегодня можно говорить о возможности полноценной конкуренции солнечной энергетики с традиционной генерацией.

Инвесторам неинтересно

Применение энергии ветра в России развивается еще медленнее, чем солнечная энергетика. Единственная промышленная ветроэлектростанция находится в Калининградской области, есть электростанции на Чукотке, в Башкирии, Калмыкии и Коми. В прошлом году Россия получила от ветропарков всего 16,8 МВт мощности. Схему их строительства на территории России в 2013 году утвердил премьер-министр Дмитрий Медведев. Согласно этим планам за 15 лет в стране должно быть построено 16 ветряных электростанций.

Однако инвесторов не устраивают условия, которые сложились на этом рынке. Здесь действуют те же правила, что и для солнечной генерации, предполагающие высокую квоту для отечественного оборудования. Но у нас в стране нет производства компонентов для ветроэлектростанций, их приходится закупать за рубежом. Поэтому желающих строить «ветряки» пока не нашлось.

Российские власти давно пытались привлечь внимание инвесторов к созданию на севере Дальнего Востока крупного ветропарка суммарной мощностью 50-70 ГВт. О том, что этот вопрос прорабатывается с иностранными партнерами, говорил в феврале текущего года глава Минэнергетики Александр Новак. 10 сентября РАО «ЭС Востока» сообщило об открытии в поселке Усть-Камчатск самого крупного на Дальнем Востоке ветропарка. Комплекс возводится при участии японской правительственной организации по разработке новых энергетических и промышленных технологий NEDO, которая безвозмездно предоставила оборудование для парка. Японцы в этом проекте преследуют научную цель — испытывают работоспособность установок в условиях холодного климата.

Усть-камчатский комплекс состоит из трех ветроэнергетических установок суммарной мощностью 900 кВт. Прогнозируется, что он, частично заместив выработку энергии дизельной электростанцией поселка, позволит экономить более 550 т топлива в год. Его сдача в эксплуатацию планируется в конце 2015 года. Предусмотрена возможность строительства впоследствии еще семи ВЭУ, в результате чего мощность комплекса достигнет 3 МВт.

Кроме Дальнего Востока и Севера в густонаселенных районах европейской части России имеется довольно много мест, где использование ветростанций можно считать перспективным. Это северо-запад страны — Мурманская, Архангельская и Ленинградская области. А также южные регионы — Краснодарский край, Карачаево-Черкесия, Ростовская, Волгоградская, Астраханская области, Калмыкия, считает президент Российской ассоциации ветровой индустрии Игорь Брызгунов.

В конце июля текущего года глава правительства Дмитрий Медведев своим распоряжением продлил действие программы поддержки ветрогенерации на оптовом рынке электрической энергии и мощности. Поддержка продлена на четыре года — с 2020 по 2024 год. Всего до 2024 года планируется ввести объектов ветрогенерации на 3600 МВт мощности, в 2015-2016 годах — на 50 и 51 МВт соответственно. «Документ направлен на поддержание необходимого уровня конкуренции на рынке ветроэнергетики и инвестирование в развертывание нового производственного оборудования», — говорится в пояснительной записке.