Солнечная энергетика

Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует возобновляемый источник энергии^[1] и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов^[2]. Производство энергии с помощью солнечных электростанций хорошо согласовывается с концепцией распределённого производства энергии.

Земные условия

Карта солнечного излучения

Поток солнечного излучения, проходящий через площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно  потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (на входе в атмосферу Земли), равен 1367 Вт/м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения, при прохождении атмосферной массы Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря (на Экваторе) — 1020 Вт/м². Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную горизонтальную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раза меньше.

Возможная выработка  энергии уменьшается из-за глобального затемнения — уменьшения потока солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли.

Способы получения электричества и тепла из солнечного излучения

• Получение электроэнергии с помощью фотоэлементов.
• Преобразование солнечной энергии в электричество с помощью тепловых машин:
• паровые машины (поршневые или турбинные), использующие водяной пар, углекислый газ, пропан-бутан, фреоны;
• двигатель Стирлинга и т. д.
• гелиотермальная энергетика — Нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в отоплении или в паровых электрогенераторах).
• Термовоздушные электростанции (преобразование солнечной энергии в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор).
• Солнечные аэростатные электростанции (генерация водяного пара внутри баллона аэростата за счет нагрева солнечным излучением поверхности аэростата, покрытой селективно-поглощающим покрытием). Преимущество — запаса пара в баллоне достаточно для работы электростанции в темное время суток и в ненастную погоду.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Общедоступность и неисчерпаемость источника.
• Теоретически, полная безопасность для окружающей среды, хотя существует вероятность того, что повсеместное внедрение солнечной энергетики может изменить альбедо (характеристику отражательной (рассеивающей) способности ) земной поверхности и привести к изменению климата (однако при современном уровне потребления энергии это крайне маловероятно).

Недостатки

• Зависимость от погоды и времени суток.
• Как следствие необходимость аккумуляции энергии.
• Высокая стоимость конструкции.
• Необходимость периодической очистки отражающей поверхности от пыли.
• Нагрев атмосферы над электростанцией.

Итоги развития фотоэлементной отрасли

В 1985 году все установленные мощности мира составляли 21 МВт.

Таблица: Суммарные  мощности фотоэлектических станций^[6].

Солнечная энергия в Беларуси 

    По  метеорологическим данным в Республике Беларусь в среднем 250 дней в году пасмурных, 85 с переменной облачностью  и 30 ясных, а среднегодовое поступление  солнечной энергии на земную поверхность  с учетом ночей и облачности составляет 243 кал на 1 см2 за сутки, что эквивалентно 2,8 кВтч/м2, а с учетом КПД преобразования для гелиоэлектричества 12% - 0,3 кВтч/м2..

    Для удовлетворения потребности республики в электроэнергии в объеме 45 млрд.кВтч Потребуется 450 км2 гелиостатов, что при их стоимости 450 долларов США/кв.м соответствует стоимости 202,5 млрд. долларов США без учета затрат на эксплуатацию синхронизаторов, строительно-монтажные работы, конструкции, кабели, системы управления, технические средств для обслуживания, инфраструктуру и т.п. Учет перечисленных составляющих удвоит названную сумму. С учетом опыта создания солнечной электростанции в Крыму, а также зарубежного опыта удельные капвложения и себестоимость получаемой электроэнергии пока десятикратно превышают ее производство на других источниках. Технический прогресс в этой области естественно будет способствовать снижению затрат, однако, для условий Беларуси, в прогнозируемом периоде составляющая производства электроэнергии с помощью солнечной энергии будет практически не ощутима. Основными направлениями использования энергии солнца будут гелиоводоподогреватели (ГВН) и различные гелиоустановки для интенсификации процессов сушки и подогрева воды в сельскохозяйственном производстве. За счет использования солнечной энергии возможно замещение 25 тыс. т у.т. в год органического топлива к 2005г.

    Солнечные лучи ежегодно приносят в Беларусь в 20 тыс. раз больше энергии, чем мы потребляем. Крыша одноэтажного дома на севере Беларуси получает в 10 раз  больше энергии, чем требуется для отопления этого дома.

    Считается, что отопление жилища за счёт солнечной  энергии возможно только в жарких странах, близких к экватору. Однако это мнение ошибочно. По многолетним  наблюдением метеорологов на широте Минска с апреля по сентябрь на квадратный метр поверхности падает 297600 МДж солнечной энергии. При завышенной норме энергопотребления на квадратный метр отапливаемого помещения 70 кВт-ч/год/кв.м (для сравнения в Швеции норма 30-60 кВт-ч/год/кв.м) годовое потребление энергии составит всего 25200 МДж. Таким образом, солнечной энергии вполне достаточно для отопления круглый год и для горячего водоснабжения летом. При этом система сезонного аккумулирования солнечного тепла может иметь КПД всего 10%. Экодом предлагаемой конструкции имеет скатную крышу выраженной южной ориентации.Крыша покрыта сплошным водовоздушным солнечным коллектором конструкции Белорусского отделения международной академии экологии. Под домом находится твердотельный суточный и сезонный тепловой аккумулятор. Такие аккумуляторы распространены в Швеции и Норвегии. Другая возможная конструкция - жидкостный аккумулятор внутри дома (15 тонн воды на 200 кв.м жилой площади). Дом оборудован принудительной системой вентиляции, обеспечивающей воздухообмен и обогрев жилых помещений (основные технические решения запатентованы). Обязательной является система рекуперации тепла при вентиляции. 

Сроки окупаемости  гелиосистем - это один из важных вопросов, который следует изучить до принятия решения о покупке и установке солнечной системы. Именно этот вопрос волнует наших клиентов больше всего. Мы предлагаем Вам самим убедиться в эффективности и экономической целесообразности использования солнечного тепла. Ниже приведена таблица интенсивности солнечного излучения для нескольких городов Беларуси.

 
* По данным NASA.

Всем известно, что  солнечная энергия бесплатна. Но чтобы  использовать этот ресурс, всё же необходимы определённые затраты. Для использования энергии солнечного излучения потребуется:

1) Гелиосистема способная улавливать солнечную энергию и передавать её воде, которая непосредственно используется потребителем, или теплоносителю, с помощью которого осуществляется нагрев воды для горячего водоснабжения или отопления. Этот этап включает в себя затраты на приобретение самой системы и затраты на проведение монтажных работ, которые    необходимы только в случае использования мощных закрытых активных систем, имеющих два контура и работающих при магистральном давлении водопровода.

2) Резервный источник энергии для наиболее эффективной работы гелиосистемы, так как солнечные установки покрывают лишь часть энергетических затрат на получение горячей воды и тепла для отопления помещений. При использовании открытых пассивных систем дополнительного источника энергии не потребуется, но если речь идёт о более производительных установках, то без резервного источника не обойтись. В регионах с умеренным климатом в зависимости от сезона гелиосистема обеспечивает покрытие энергетических затрат от 50 до 70 %, оставшуюся часть приходится компенсировать за счёт дополнительных источников энергии (газовый котёл, электронагреватель).

В таблице, приведенной  ниже, представлена стоимость энергии, полученной при использовании различных  традиционных энергоносителей. Мы видим, что уже сегодня годовые затраты на семью из 5 человек не выглядят оптимистичными.  А постоянный рост цен на традиционные виды топлива их только увеличивает.  

Сравнение стоимости 1 кВт•час  энергии, полученной на основе использования  различных энергоносителей