Плюсы и минусы использования
Как у каждого конкретного источника энергии, вне зависимости от того, к какому типу он относится, традиционному или альтернативному, свойственны относящееся именно к нему достоинства и недостатки использования.
Кроме этого, в каждой группе энергоресурсов свойственны общие плисы и минусы. Для альтернативных источников, к таковым относятся:
- Плюсами использования являются:
- Возобновляемость альтернативных источников энергии;
- Экологическая безопасность;
- Доступность и возможность использования в широком спектре применения;
- Низкая себестоимость энергии, получаемой в результате преобразования.
- Минусы использования:
- Высокая стоимость оборудования и значительные материальные затраты на этапах строительства и монтажа;
- Низкий КПД установок;
- Зависимость от внешних факторов, как-то: погодные условия, сила ветра и т.д.;
- Относительно не большая установленная мощность генерирующих установок, за исключением гидроэлектростанций.
Концентрация солнечных коллекторов
Концентрирующие солнечные коллекторы – это сферические или параболические зеркала, параболические цилиндры из полированного металла, с теплопоглощающим элементом (солнечным котлом), расположенным в фокальной точке, через которую циркулирует теплоноситель. В качестве теплоносителя используются вода или незамерзающие жидкости. Если в качестве теплоносителя ночью и в холодное время года используется вода, то во избежание замерзания систему необходимо опорожнить.
Для обеспечения высокой эффективности сбора и преобразования солнечного излучения концентрирующий солнечный коллектор всегда должен быть точно выровнен по отношению к солнцу. Для этой цели приемник Helio оснащен системой слежения, которая включает в себя датчик направления на солнце, электронный блок для преобразования сигнала и электродвигатель с понижающей передачей для вращения структуры приемника Helio в двух плоскостях.
Преимуществом систем с концентрирующими солнечными коллекторами является возможность производить тепло при относительно высокой температуре (до 100 °С) и даже пар. К недостаткам относятся высокие строительные расходы; необходимость постоянной очистки отражающих поверхностей от пыли; работа только при дневном свете и, следовательно, необходимость использования аккумуляторов большого объема; высокие энергетические затраты на управление системой слежения за солнечными батареями, которые пропорциональны вырабатываемой энергии. Эти недостатки препятствуют широкому использованию низкотемпературных активных солнечных отопительных систем с концентрирующими гелиоприемниками. В последнее время наиболее распространенными приложениями для низкотемпературных систем солнечного отопления являются плоские гелиоприемники.
Что такое нетрадиционные источники энергии
Перспективной задачей в энергетическом комплексе 21 века является использование и внедрение возобновляемых источников энергии. Это позволит снизить нагрузку на экологическую систему планеты. Применение традиционных источников негативно влияет на экологию и приводит к исчерпанию земных недр. К ним относятся:
1. Невозобновляемые:
- уголь;
- природный газ;
- нефть;
- уран.
2. Возобновляемые:
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут
- древесина;
- гидроэнергетика.
Альтернативная энергетика – система новых способов и методов получения, передачи и применения энергии, которые используются слабо, однако являются выигрышными для окружающей среды.
Альтернативные источники энергии (АИЭ) – вещества и процессы, которые существуют в природной среде и дают возможность получать необходимую энергию.
Перспективы развития солнечной энергетики
Преобразование солнечной энергии в электричество на основе фотоэлектрических элементов и систем очень активно развивается во всем мире. В 1999 году их производство составило 200 МВт по всему миру. Годовой темп роста за последние 5 лет (1995-2000 гг.) составил 30%. Страны-лидеры: США – 60 МВт, Япония – 80 МВт, Германия – 50 МВт. Общая площадь солнечных водонагревателей (солнечных коллекторов) в мире в 2000 году превысила. 21 млн. м2, в то время как годовой объем производства солнечных коллекторов превышает 1,7 млн. м2. Ведущие страны: Япония – 7 млн м², США – 4 млн м², Израиль – 2,8 млн м², Греция – 2 млн м².
В штате Калифорния (США) с конца 1980-х годов работают 9 солнечных электростанций израильской компании YUZ. В индийском штате Раджастан планируется построить солнечные электростанции мощностью 105 МВт (35 МВт тепловой солнечной энергии), а в Катаре – солнечные тепловые электростанции мощностью 100-150 МВт. В солнечных тепловых электростанциях ЮУЗа параболические цилиндрические концентраторы фокусируют солнечное излучение на трубках-поглотителях, в которых маслоохладитель нагревается до 400 °С. В теплообменнике масло выделяет поглощенное тепло в питательную воду нормального парового цикла, а выработанный пар расширяется в турбине. Стоимость производства 1 кВт/ч электроэнергии на электростанциях Калифорнии составляет 20…30 копеек.
Изучаются и другие технологии (испарение воды непосредственно в абсорбционных трубах и т.д.).
Фотоэлектрические системы преобразования солнечной энергии используются для электростанций и автономного электроснабжения сельских домов, школ, больниц (Китай, Зимбабве, Индонезия, Мексика).
Экскурс в историю
Как развивалась солнечная энергетика до наших дней? Об использовании солнца в своей деятельности человек думал с древних времён. Всем известна легенда, согласно которой Архимед сжёг флот неприятеля у своего города Сиракузы. Он использовал для этого зажигательные зеркала. Несколько тысяч лет назад на Ближнем востоке дворцы правителей отапливали водой, которая нагревалась солнцем. В некоторых странах выпариваем морской воды на солнце получали соль. Учёные часто проводили опыты с нагревательными аппаратами, работающими от солнечной энергии.
Первые модели таких нагревателей были выпущены в XVII─XVII веках. В частности, исследователь Н. Соссюр представил свою версию водонагревателя. Он представляет собой ящик из дерева, накрытый стеклянной крышкой. Вода в этом устройстве подогревалась до 88 градусов Цельсия. В 1774 году А. Лавуазье использовал линзы для концентрации тепла от солнца. И также появились линзы, позволяющие локально расплавить чугун за несколько секунд.
Батареи, преобразующие энергию солнца в механическую, создали французские учёные. В конце XIX века исследователь О. Мушо разработал инсолятор, фокусирующий лучи с помощью линзы на паровом котле. Этот котёл использовался для работы печатной машины. В США в то время удалось создать агрегат, работающий от солнца, мощностью в 15 «лошадей».
Инсолятор О. Мушо
В тридцатые годы прошлого столетия академик СССР А. Ф. Иоффе предложил использовать полупроводниковые фотоэлементы для преобразования энергии солнца. КПД батарей в то время был менее 1%. Прошло много лет до того, как были разработаны фотоэлементы, имеющие КПД на уровне 10─15 процентов. Затем американцы построили солнечные батареи современного типа.
Фотоэлемент для солнечной батареи
Стоит сказать, что батареи на основе полупроводников достаточно долговечны и не требуют квалификации для ухода за ними.
Собираем альтернативный источник энергии. Лучшие идеи для частного дома
Получать электроэнергию и тепло от общих сетей финансово невыгодно. Экологии наносится вред. Автономные энергоэффективные технологии снабжают необходимыми энергоресурсами. Оплата коммунальных услуг снижается. Окружающая среда не загрязняется.
Доступны разные виды альтернативной энергетики для сбережения ресурсов, которые можно использовать.
Солнечные батареи
Солнечный поток – это энергия, при помощи которой получают:
- тепло для обогрева дома;
- электричества – свет и работа электроприборов.
Плюсы:
- неограниченность ресурса;
- экологичность;
- полная бесшумность;
- трансформация исходной энергии в разные виды;
- самостоятельное конструирование.
КПД солнечных панелей зависит от интенсивности ухода за ними. При появлении налета пыли или грязи отдача снижается.
У монокристаллов коэффициент полезного действия составляет 14%, тогда как у поликристаллов – 9%.
Получение электроэнергии из недр земли
Чтобы получить из недр Земли энергию, устанавливают тепловой насос, работающий по геотермальному принципу. Схема универсальная – она дает возможномть получать электричество как из почвы, так и из грунтовых вод.
Генератор из биоотходов
Биогаз также используется для отопления. Принцип работы прибора аналогичен тем, которые работают на природном топливе. Получают энергоресурсы благодаря жизнедеятельности анаэробных бактерий. Отходы помещают в закрытую емкость. В баке процесс жизнедеятельности бактерий приводит к выделению газа метана.
Недостаток – нужен постоянный источник отходов. Поэтому станцию, работающую на биотопливе, используют на фермах.
Энергия из ветра
Использование ветрогенератора основано на принципе мельницы. Вращающиеся лопасти вырабатывают электричество.
Применение возможно только в областях, где постоянно дуют ветра, которые должны обладать достаточной мощностью, для того, чтобы вращать лопасти.
Самодельная гидроэлектростанция
Если в шаговой доступности находится ручей со стремниной, то на нем можно организовать самодельную электростанцию. Это даст дополнительную возможность получать электричество.
Замена котла на более эффективный
Отопительная установка — это сердце каждого дома. И если вы задумались о том, как сделать свой дом более энергоэффективным, впору подумать о замене котла. Тем более, если он старый и ему уже больше 10 лет.
Эффективность котлов определяют по КПД – т. е. коэффициенту их полезного действия. Как правило, этот показатель указывается на упаковке или сайте производителя.
В принципе все современные газовые и твердотопливные котлы отличаются высоким КПД — от 85-90% и выше. Тем не менее, даже несколько процентов КПД могут сэкономить вам десятки тысяч рублей на отоплении дома.
Самым высоким КПД обладают газовые конденсационные котлы, у которых этот параметр доходит до 98%. Однако слишком полагаться на этот показатель при выборе котла не стоит. Характерный пример: есть два вида газовых котлов: конвекционные и конденсационные. КПД первых составляет более 92%, вторых — около 85-90%. Однако в конвекционных котлах часть энергии теряется вместе с продуктами горения. И более экономичными с точки зрения потребления топлива являются конденсационные котлы.
Можно также рассмотреть замену котла на работающий от возобновляемых источников энергии. Одним из эффективных решений являются твердотопливные отопительные котлы, работающие за счет сжигания биомассы. Такие отопительные установки крайне экономичны и экологичны — весь СО2, образующийся при сжигании топлива, полностью поглощается деревьями и растениями и не попадает в атмосферу.
При выборе котла необходимо учитывать климатические условия и возможные тепловые потери здания. Затем следует определиться с типом топлива, что это будет: брикеты, пеллеты или щепы.
Другим решением для модернизации системы отопления может быть установка теплового насоса. Это устройство, которое позволяет извлекать тепловую энергию из земли, воздуха или воды. Принцип его работы заключается в передаче тепла, при помощи специального компрессора, из мест с низкой температурой в места с высокой температурой. Затем энергия конденсируется и передается в отапливаемое помещение.
Как и в случае использования других возобновляемых источников энергии, выбор теплового насоса должен также основываться на реальных потребностях членов семьи и специфике здания.
Солнечные электростанции работают в
- Оренбургской области:
«Сакмарская им. А. А. Влазнева», установленной мощностью 25 МВт;
«Переволоцкая», установленной мощностью 5,0 МВт. - Республике Башкортостан:
«Бурибаевская», установленной мощностью 20,0 МВт;
«Бугульчанская», установленной мощностью 15,0 МВт. - Республике Алтай:
«Кош-Агачская», установленной мощностью 10,0 МВт;
«Усть-Канская», установленной мощностью 5,0 МВт. - Республике Хакасия:
«Абаканская», установленной мощностью 5,2 МВт. - Белгородской области:
«АльтЭнерго», установленной мощностью 0,1 МВт. - В Республике Крым, независимо от Единой энергетической системы страны, работает 13 солнечных электрических станций, общей мощностью 289,5 МВт.
- Также, вне системы работает станция в Республике Саха—Якутия (1,0 МВт) и в Забайкальском крае (0,12 МВт).
В стадии разработки проекта и строительства находятся электростанции
- В Алтайском крае, 2 станции, общей проектируемой мощностью 20,0 МВт, запуск в работу планируется в 2019 году.
- В Астраханской области, 6 станций, общей проектируемой мощностью 90,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
- В Волгоградской области, 6 станций, общей проектируемой мощностью 100,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
- В Забайкальском крае, 3 станции, общей проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
- В Иркутской области, 1 станция, проектируемой мощностью 15,0 МВт, запуск в работу планируется в 2018 году.
- В Липецкой области, 3 станции, общей проектируемой мощностью 45,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
- В Омской области, 2 станции, проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2019 году.
- В Оренбургской области, 7 станция, проектированной мощностью 260,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017-2019 годах.
- В Республике Башкортостан, 3 станции, проектируемой мощностью 29,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
- В Республике Бурятия, 5 станции, проектируемой мощностью 70,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
- В Республике Дагестан, 2 станции, проектируемой мощностью 10,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
- В Республике Калмыкия, 4 станции, проектируемой мощностью 70,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2019 году.
- В Самарской области, 1 станция, проектируемой мощностью 75,0 МВт, запуск в работу планируется в 2018 году.
- В Саратовской области, 3 станции, проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
- В Ставропольском крае, 4 станции, проектируемой мощностью 115,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017-2019 годы.
- В Челябинской области, 4 станции, проектируемой мощностью 60,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
Общая проектируемая мощность солнечных электрических станций, находящихся в стадии разработки и строительства, составляет – 1079,0 МВт.
Термоэлектрические генераторы, гелиоколлекторы и гелиотермальные установки также широко применяются на промышленных предприятиях и в повседневной жизни. Вариант и способ использования выбирает каждый для себя сам.
Количество технических устройств, использующих энергию солнца для выработки электрической и тепловой энергий, а также количество строящихся солнечных электрических станций, их мощность, говорят сами за себя — в России альтернативным источникам энергии быть и развиваться.
Использование солнечной энергии в химическом производстве
Солнечная энергия может применяться в различных химических процессах. Например:
- Израильский Weizmann Institute of Science в 2005 году испытал технологию получения не окисленного цинка в солнечной башне. Оксид цинка в присутствии древесного угля нагревался зеркалами до температуры 1200 °С на вершине солнечной башни. В результате процесса получался чистый цинк. Далее цинк можно герметично упаковать и транспортировать к местам производства электроэнергии. На месте цинк помещается в воду, в результате химической реакции получается водород и оксид цинка. Оксид цинка можно ещё раз поместить в солнечную башню и получить чистый цинк. Технология прошла испытания в солнечной башне канадского Institute for the Energies and Applied Research.
- Швейцарская компания Clean Hydrogen Producers (CHP) разработала технологию производства водорода из воды при помощи параболических солнечных концентраторов. Площадь зеркал установки составляет 93 м². В фокусе концентратора температура достигает 2200°С. Вода начинает разделяться на водород и кислород при температуре более 1700 °С. За световой день 6,5 часов (6,5 кВт·ч/кв.м.) установка CHP может разделять на водород и кислород 94,9 литров воды. Производство водорода составит 3800 кг в год (около 10,4 кг в день).
Водород может использоваться для производства электроэнергии, или в качестве топлива на транспорте.
Фотоэнергия
Это один из способов использования излучения солнца: постоянный ток, который вырабатывается при попадании солнечного излучения. Это преобразование происходит в фотоячейках. Фотоячейки имеют двухслойную структуру. Один полупроводник располагается ниже и относится к р-типу, второй находится выше и относится к n-типу.
Электроны второго проводника поглощают излучение солнечной энергии, после чего покидают орбиты, переходя в зону первого проводника. Именно в этот момент появляется электронный поток – фототок.
Солнечные фотоэлементы
Используются они для более эффективного применения солнечного излучения. Они состоят из полупроводников, которые, при попадании на их поверхность солнечных лучей, приходят в движение и таким образом вырабатывают ток. Из-за отсутствия химических реакций при выработке тока, срок их службы достаточно долгий. Один из способов использования это фотоэлемент для включения света.
Фотоэлектрические преобразователи энергии солнца легки в использовании благодаря маленькому весу, легкостью в обслуживании. К тому же, являются очень эффективными при использовании энергии солнца.
Газовая альтернатива
В отличие от «ядерных котелков», термоэлектрогенераторы, работающие на тепле сгорающего газа, — актуальное, развивающееся и сегодня направление локальной энергетики. Аппараты, габаритами приблизительно с 200-литровую бочку, способны успешно выполнять роль РИТЭГов в качестве автономных источников тока в необитаемых местах без использования радиоактивных материалов.
К примеру, вдоль большинства газопроводов обязательно с определенным интервалом размещаются станции катодной защиты, узлы с автоматикой, задвижками и т.п. Для питания этого оборудования вдоль трубы приходится тянуть линию электропередачи. ЛЭП представляет собой головную боль для газовщиков, поскольку на большом протяжении провода проходят по ненаселенным районам, там, где энерголинии трудно обслуживать и ремонтировать после ударов стихии.
Если же в необходимых местах возле трубы расставить будки с термоэлектрогенераторами внутри и питать их газом из той же трубы через небольшие отводы, то электричество будет генерироваться непосредственно по месту. Не придется тянуть издалека провода, которые боятся ураганов, ледяных дождей и падающих деревьев.
Сферы применения солнечной энергии
Направлений использования довольно много. Ниже рассматриваются самые востребованные и распространённые.
Энергоснабжение частного дома
Здесь стоит сказать, что современные панели вырабатывают электричество даже в сумерках и пасмурную погоду. Заряда аккумуляторных батарей хватает на тёмное время суток. Кроме того, солнечные панели подключаются как вспомогательные, и при необходимости их подменяет основная энергетическая система.
Солнечный коллектор для отопления и горячего водоснабжения
Здесь энергия солнца преобразуется в тепловую. Наверное, у многих на дачном участке есть душ с металлическим баком наверху. Он нагревается от солнца и можно мытья нагретой водой. Это простейший вариант такого коллектора.
Но современные системы работают значительно эффективнее. В них есть поглощающий элемент, который передаёт тепловую энергию теплоносителю. Есть варианты с водой и воздухом в качестве теплоносителя.
Портативные источники энергии
Этот вид устройств предназначен для получения электрической энергии при отсутствии электрических сетей. Такие переносные аккумуляторы с возможностью зарядки от солнечной панели популярны среди туристов, дачников и т. п. Об этих устройствах можно прочитать в статьях:
- Солнечная батарея для ноутбука;
- Аккумулятор на солнечных батареях для телефона;
- Солнечная батарея для зарядки автомобильного аккумулятора.
Транспорт
Это пока также экзотическая сфера применения. Но уже сейчас проводятся гоночные соревнования в Австралии на солнечных карах. Однако в последнее время конструкторам удалось нарастить скорость таких транспортных средств до 80 км/час. И также проводятся испытания самолёта на солнечных батареях с облётом планеты.
