I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

СОЛНЕЧНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Хабарова Н.А. 1

---

1

Попова А.Ф. 1

---

1

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение…………………………………………………………………………..3

1. Обзор литературы………………………………………………………..5

   1. Существующие источники выработки электроэнергии……………....5

   2. История развития солнечной энергетики…………………..…………..6

   3. Принцип действия солнечной батареи……………...……………...….. 8

1. Экспериментальная часть…………………………………...……….…10

   1. Устройство солнечной электростанции на примере

действующей модели………………………………………………………….....10

1.  

   1. Измерение показателей мощности, вырабатываемой

солнечной батареей, в зависимости от освещённости…………………….…. .12

1. Результаты исследования…………………………………………….....13

2. Суть решения…………………………………………………..……….. 14

3. Предложенные методы и инструменты реализации……………….....14

4. Список использованной литературы …….…………………………... 17

Энергообеспечение в наши дни - основа нормального функционирования всей человеческой цивилизации. И самым востребованным видом энергии сегодня является электричество.

Однако получение столь необходимой электроэнергии слишком дорого обходится человечеству. Для ее получения ежегодно сжигается такое количество угля, нефти и газа, которое природа сможет восполнить за 2 млн. лет. По прогнозам ученых оставшихся запасов этих ископаемых на планете осталось от силы на сотню лет. Что же потом? Ответ на этот вопрос заботит многих ученых и инженеров. И с каждым годом они все больше интересуются одним из самых мощных источников энергии, благодаря которому в течение миллионов лет существует сама жизнь на нашей планете. Этот источник – Солнце.

Энергия Солнца огромна. И если бы человек смог взять у Солнца хотя бы один процент поступающей от него энергии, то энергетическая проблема не вставала бы перед человечеством еще многие столетия. Уже более полувека Солнце обеспечивает энергией космические аппараты на орбите. Экологически чистая и неиссякаемая энергия Солнца – это будущее и земной энергетики.

Исходя из этого, у нас возникло желание познакомиться с принципом работы солнечных электростанций и устройством солнечных батарей. Изучив соответствующую литературу, мы решили сконструировать демонстрационный стенд, представляющий собой полностью работоспособную солнечную электростанцию с её основными элементами. На его примере мы хотим показать, из чего состоят и как функционируют установки для получения электричества, работающие с использованием энергии солнца.

Цель проекта

Оценить современную доступность и эффективность получения электроэнергии за счет энергии Солнца.

-Изучить историю развития солнечной электроэнергетики в мире и России;

-Продемонстрировать аудитории возможность и удобство использования солнечной энергии как экологически чистого и достаточно мощного источника электричества для бытовых и коммунальных нужд;

-Получить исследовательские навыки при выполнении практической работы по изготовлению солнечной электростанции;

-Способствовать формированию отношения к знанию, как к ценности;

-Содействовать воспитанию уважения к природным ресурсам, стремлению к их сохранению за счет использования готовых природных возобновляемых источников энергии.

Преимущества и недостатки использования Солнца по сравнению с другими энергоносителями при производстве электроэнергии.

Источник солнечной электроэнергии – батарея из солнечных элементов на основе поликристаллического кремния.

Работа с научной и научно-популярной литературой, Интернет-ресурсами, эксперимент.

Планы и сроки реализации проекта

Мы надеемся, что компания «СИМЕНС», заинтересовавшись нашим проектом, со временем, организует производство установок для получения электричества, работающих с использованием солнечной энергии, как экологически чистого, достаточно мощного и экономически выгодного источника электричества для бытовых и коммунальных нужд. Планируем, что проект будет реализован в 2014 году.

1. Обзор литературы
   1. Существующие источники выработки электроэнергии

Сегодня человечество более 90% электроэнергии производит за счет невозобновляемых природных ресурсов - угля, нефти, газа и ядерного топлива. По используемым источникам энергии электростанции делятся на типы. Два типа электростанций на невозобновляемых ресурсах – это тепловые электростанции (ТЭС) и атомные электростанции (АЭС).

Тепловые электростанции

Тепловые электростанции в настоящее время вносят наибольший вклад в мировое производство электричества (около 60% производства мировой электроэнергии). Принцип их работы заключается в сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть или газ). Тепловые электростанции очень сильно загрязняют окружающую среду. Это, прежде всего, химическое загрязнение, связанное со значительными выбросами в атмосферу таких загрязнителей, как оксиды азота, углерода, диоксид серы, зола.

Атомные электростанции

Атомные электростанции являются более «чистым» способом производства электроэнергии. Они производят большое количество энергии, потребляя при этом малое количество топлива. Топливом им служат радиоактивные элементы, такие как уран и плутоний. Максимальный вклад в производство электрической энергии атомными электростанциями приходился на 2000 год – 18% от всего мирового производства. Сегодня они производят около 13% электроэнергии в мире.Снижение вклада атомной энергетики в мировое производство электричества связано, прежде всего, с осознанием мировым сообществом опасности, сопровождающей такой способ получения электроэнергии. Приложение 1.

В недалеком будущем человечеству неизбежно придется отказаться от невозобновляемых источников энергии. За оставшееся время, чтобы избежать энергетического кризиса, человек должен научиться эффективно использовать источники энергии, запасы которых на Земле неистощимы и восстанавливаются быстрее их использования. Это – возобновляемые источники энергии: энергия ветра, воды и тепла нашей планеты. Существует много различных типов электростанций, использующих такие источники энергии.

Прежде всего, это гидроэлектростанции (ГЭС) – которые производят электроэнергию за счёт энергии падающей воды. Сегодня доля ГЭС в мировом производстве электроэнергии составляет около 20%. Гидроэлектростанции, безусловно, гораздо меньше загрязняют окружающую среду, но при этом они наносят непоправимый вред популяциям рыб.

Нельзя не сказать несколько слов и об электростанциях, использующих энергию ветра. Их строят в местах с высокой средней скоростью ветра — от 4,5 м/с и выше.

Крупнейшие ветряные электростанции способны вырабатывать сотни мегаватт энергии. Современные ветряные электростанции прекращают работу во время сезонного перелёта птиц, чтобы минимизировать вред, наносимый окружающей среде.

И, наконец, - Солнце. Даже та ничтожная доля солнечной энергии, которая достигает Земли, очень велика. Энергия солнечных лучей, падающих на 1 м2 площади земной поверхности, может заставить работать двигатель мощностью около 1,4 кВт, а вся Земля получает от Солнца в десятки тысяч раз больше энергии, чем могли бы выработать все электростанции мира, если бы они работали на полную мощность. Растения и морские водоросли потребляют всего 3-4 процента поступающей от Солнца энергии. Остальная часть солнечной энергии просто рассеивается, расходуясь лишь на поддержание комфортной для жизнедеятельности организмов температуры в глубинах океана и на земной поверхности. В настоящее время человечество потребляет лишь одну десятитысячную часть той энергии, которую Солнце направляет к Земле.

1.  
   1. История развития солнечной энергетики

Впервые на взаимосвязь солнечного света и электричества обратил внимание Александр-Эдмон Беккерель. Он открыл явление фотоэффекта, представляющее собой излучение электронов под воздействием солнечного света в 1839 году.

Через 44 года, в 1883 году Чарльз Фритт создал первый солнечный модуль. Основой изобретения был покрытый тонким слоем золота селен. КПД этой батареи был не более 1 процента и до создания современных солнечных батарей было еще далеко.

Лишь в 30-х годах XX века советским физикам удалось впервые получить электрический ток, используя явление фотоэффекта. В физико-техническом институте, которым руководил выдающийся ученый академик Иоффе были созданы первые солнечные сернисто-таллиевые элементы. КПД этих первых солнечных элементов составлял всего 1 процент, т. е. в электрический ток преобразовывался 1 процент падающей на элемент солнечной энергии. Для того времени это было рекордным показателем.

В начале 50-х годов XX века американские ученые Пирсон, Фуллер и Чапин открыли и запатентовали кремниевый солнечный элемент с КПД около 6 процентов. В 1957 году в СССР был запущен первый искусственный спутник с применением фотогальванических элементов, а в 1958 г. США произвели запуск искусственного спутника Explorer 1 с солнечными панелями. С 1958 года кремниевые солнечные батареи стали основным источником энергии для космических кораблей и орбитальных станций.

В 1970 году в СССР Жоресом Алферовым и его соратниками была создана первая высокоэффективная гетероструктурная (с применением галлия и мышьяка) солнечная батарея. К середине 70 годов прошлого века удалось поднять КПД солнечных элементов до 10 процентов. После этого наступила полоса застоя почти на два десятилетия. Для использования в космических аппаратах 10-ти процентного КПД вполне хватало, но для применения на Земле производство солнечных батарей в то время было нецелесообразным, так как необходимый для этого кремний стоил очень дорого (до 100 долларов 1 кг), сжигание тогда еще значительных запасов органического топлива было гораздо рентабельней. Это привело к сильному сокращению финансирования исследований в области солнечной энергетики и сильно затормозило появление новых разработок и технологий. Как справедливо было замечено академиком Жоресом Алферовым на собрании АН СССР, если бы на развитие альтернативной энергетики было выделено хотя бы 15 процентов средств, вложенных в атомную энергетику, то атомные электростанции были бы вообще не нужны. И это действительно было бы возможно, учитывая тот факт, что несмотря на минимальное финансирование исследований в области солнечной энергетики нашим ученым удалось поднять КПД солнечных элементов к середине 90-х годов до 15 процентов, а к началу XXI века уже до 20 %.

Используя идею Ga-As-солнечных элементов Applied Solar Energy Corporation (ASEC) уже в 1988 г. создали батарею с эффективностью 17 процентов, что на тот момент было значительным достижением. В 1993 году КПД Ga-As солнечного элемента удалось довести до 19% и в том же году ASEC выпустили фотоэлектрическую панель производительностью уже в 20%. На сегодняшний день самым высоким КПД обладают солнечные батареи, сделанные в рамках сотрудничества сразу трех исследовательских центров –Исследовательские лабораториии ВМФ США, Имперский колледж Лондона и компания MicroLink Devices Inc. КПД их солнечных батарей составляет 50-55%.

1.  
   1. Принцип действия солнечной батареи

Принцип действия солнечных элементов состоит в прямом преобразовании солнечного света в постоянный электрический ток. Это происходит вследствие фотовольтаического эффекта (открыт Александром-Эдмоном Беккерелем в 1839 году) в неоднородных полупроводниках при воздействии на них солнечного излучения. По своему строению солнечный элемент напоминает бутерброд, который состоит из двух полупроводниковых пластинок: n-типа и p-типа. Внешняя n-пластинка содержит избыток электронов, а внутренняя p-пластинка – недостаток. Попадание фотона света на внешнюю пластинку вызывает выбивание из нее электрона и переход его на внутреннюю пластину, что и создает электрический ток. Сила возникающего под воздействием света электрического тока прямо пропорциональна плотности светового потока.

Первым и самым главным компонентом солнечной электростанции является солнечная батарея. Солнечная батарея состоит из электрически соединенных между собой солнечных элементов.

Солнечные элементы представляют собой тонкие пластины кремния и бывают трех типов:

• из монокристаллического кремния;

• из поликристаллического кремния;

• из аморфного кремния.

Солнечные элементы из монокристаллического кремния

Их рабочий материал – это очень чистый кремний. Его производство хорошо своено современной промышленностью. Кремниевый монокристалл растет на семени, которое медленно вытягивается из кремниевого расплава. Стержни, полученные таким путем, режутся на части толщиной от 0,2 до 0,4 мм. Главное достоинство солнечных батарей данного типа - наивысшая эффективность преобразования энергии, что позволяет получить необходимую мощность при наименьшей площади солнечной батареи.

Основным же их недостатком является их дороговизна, являющаяся следствием сложности производства. Поэтому выбор монокристаллических элементов будет оптимальным, если нужно получить максимальную мощность при ограниченности пространства, на котором необходимо разместить солнечную батарею.

Солнечные элементы из поликристаллического кремния

Поликристаллический кремний получают путем медленного охлаждения кремниевого расплава. При производстве поликристаллических панелей операция вытягивания опускается, за счет чего производство становится менее энергоемким и значительно более дешевым. Однако поликристаллическая структура снижает эффективность этих элементов.

Поликристаллические элементы - это самый популярный на сегодня тип из-за оптимального соотношения мощность/стоимость.

В результате постоянного совершенствования технологии изготовления поликристаллических солнечных панелей, этот тип оборудования приближается по характеристикам к монокристаллическим солнечным панелям По количеству установок поликристаллические батареи остаются на лидирующих позициях.

Солнечные элементы из аморфного кремния

Аморфный кремний получается при помощи «техники испарительной фазы», когда тонкая пленка кремния осаждается на несущий материал и защищается покрытием.

Солнечные батареи на тонкопленочном кремнии - самые доступные по цене, но и менее эффективные, чем два предыдущих типа солнечных батарей. Их невысокий коэффициент полезного действия (10-15%) приводит к необходимости использования больших площадей.

1. Экспериментальная часть.
   1. Устройство солнечной электростанции на примере действующей модели

Теперь рассмотрим подробнее устройство электростанции на основе солнечных батарей. Вне зависимости от вырабатываемой мощности все они состоят из четырех основных компонентов и имеют практически одинаковую структуру. Чтобы сделать рассказ более наглядным, нами сделан этот демонстрационный стенд, который представляет собой полностью работоспособную солнечную электростанцию. С его помощью можно заряжать мобильные телефоны и питать не очень мощные нагрузки, например малогабаритные медиаплееры. Внешние устройства подключаются с помощью стандартного разъема USB. Сделать сегодня такую малогабаритную солнечную электростанцию своими руками несложно, все необходимые для этого материалы и устройства доступны в розничной продаже.

Вместе с тем, этот маломощный источник питания структурно состоит из тех же компонентов, что и мощные современные солнечные электростанции, способные вырабатывать десятки и сотни киловатт электроэнергии. Поэтому на его примере мы можем разобрать, из чего состоят и как функционируют все установки для получения электричества, работающие с использованием энергии солнца.

Первым и самым главным компонентом солнечной электростанции является солнечная батарея. Она состоит из соединенных между собой солнечных элементов. В нашем стенде применены солнечные элементы из поликристаллического кремния. Имея площадь в 1,5 кв. дециметра эта батарея способна производить ток до 300 миллиампер при напряжении 5,5 вольт, т.е. способна питать устройства мощностью до 1,65 ватта.

Очевидно, чем больше суммарная площадь панелей, тем большую мощность мы можем получить. Такие панели можно соединять между собой как параллельно для увеличения максимального тока, так и последовательно, увеличивая тем самым напряжение на выходе.

Солнечные элементы нашей батареи размещены на твердой подложке и залиты сверху слоем прозрачного пластика для защиты хрупких кремниевых пластин от внешних механических воздействий.

С помощью этой солнечной батареи мы уже можем напрямую питать некоторые устройства. Однако, солнечная электростанция устроена несколько сложнее, поскольку она должна решать две важные задачи.

Первая из этих задач состоит в том, что мы хотим питать наше устройство электричеством и днем и ночью, а наша солнечная батарея работает только днем. Как же быть? Необходимо как-то сохранять излишки энергии, вырабатывающиеся днем, чтобы использовать их в темное время суток. Такой «копилкой» энергии является аккумулятор – второй ключевой компонент солнечных энергоустановок. Необходимая емкость аккумуляторов зависит от мощности солнечных батарей и потребляемой мощности питаемой нагрузки. Приложение 2.

Накопление электроэнергии солнечных батарей в аккумуляторах на сегодняшний день является самым часто используемым способом, которым можно запасти электроэнергию на ночь. Приложение 5.

В нашем демонстрационном стенде роль "копилки" электричества играет аккумулятор емкостью 1000 миллиампер-часов и номинальным напряжением 3,7 вольта. Он заряжается от солнечной батареи, а затем может сам служить источником электроэнергии, когда солнечная батарея не работает.

Можно считать, что задача накопления электроэнергии на темное время суток нами решена.

Необходимо отметить, что современные аккумуляторы являются высокотехнологичными изделиями, требующими для достижения высокой эффективности и долговечности их работы соблюдением правильного режима их зарядки. Оптимизацией режима зарядки аккумуляторов управляет электронное устройство, называемое контроллером заряда аккумуляторов или просто контроллером. Контроллер является третьим важным компонентом солнечной энергоустановки.

Следующая задача на нашем пути создания солнечной энергосистемы заключается в необходимости согласования характеристик электропитания нашей полезной нагрузки и солнечной электростанции.

Эту задачу позволяет решить четвертый ключевой компонент солнечной электростанции–инвертор. Инвертор – это электронное устройство, которое осуществляет согласование выходного напряжения солнечной электростанции с потребляемым напряжением полезной нагрузки.

Как правило, номинальное напряжение применяемых в солнечных энергосистемах аккумуляторов составляет 12 или 24 вольт постоянного тока. Напряжение, необходимое для питания большинства бытовых электрических устройств, составляет 220 вольт переменного тока. Преобразованием напряжения и занимается инвертор.

На нашем демонстрационном стенде контроллер совмещен с инвертором и они оба представлены одним электронным устройством.

Контроллер в данном случае обеспечивает необходимый режим зарядки аккумулятора, напряжение которого, как мы помним, составляет 3,7 вольта, а инвертор преобразует напряжение аккумулятора в постоянное стабилизированное напряжение 5 вольт, необходимое для питания USB-устройств.

Таким образом, после приобретения солнечной панели, аккумулятора и контроллера-инвертора оставалось только разместить их в каком-либо подходящем корпусе, соединить между собой проводами – и мы получаем работающую солнечную электростанцию.

Схему получившейся в итоге установки вы видите на изображении. Еще раз оговоримся, что эта схема иллюстрирует структуру и состав всех солнечных энергетических установок, независимо от их мощности.

1. Результаты исследования

Изучение доступных источников информации и результаты экспериментов с созданной демонстрационной моделью солнечной электростанцией позволили сформулировать следующие ключевые преимущества получения электроэнергии с помощью энергии Солнца.

Во-первых, общедоступность и неисчерпаемость источника. С помощью солнечных электростанций можно использовать бесконечную энергию Солнца в любом месте, где достаточно солнечного света.

Во-вторых, отсутствие загрязнения окружающей среды.

В третьих, долгий срок службы солнечных батарей. Солнечная электростанция может служить около 25 лет. Могут ухудшиться некоторые показатели, но при этом не нужно менять всю станцию. Достаточно купить за небольшие деньги дополнительный модуль к уже существующим или дополнить станцию новым аккумулятором.

В четвёртых, безопасность и бесшумность получения солнечной энергии. В солнечной электростанции нет движущихся частей, она работает совершенно бесшумно.

И в пятых, удобство использования. Солнечные батареи можно использовать везде, где есть солнечный свет. Это особенно удобно для владельцев домов, расположенных в отдаленных районах, также может быть очень полезна небольшая солнечная батарея, которую можно брать с собой в места, где нет электричества.

Вместе с тем, имеются и недостатки такого способа производства электричества:

-Высокая стоимость солнечных установок. Первоначальная стоимость солнечной установки очень высока и нужно довольно долгое время, чтобы эта стоимость окупилась вырабатываемой энергией.

-Зависимость от погоды и времени суток. Необходимость «запасать энергию впрок». Максимально эффективно солнечные батареи работают в регионах с наибольшим количеством солнечных дней в году (ближе к экватору Земли). Ночью электроэнергия не производится, поэтому нужно ее аккумулировать днем для использование в темное время суток.

-Низкий КПД. На данный момент средний КПД солнечных батарей это 20-30%.

1. Суть решения

В процессе данной работы с помощью доступных источников информации :

- была изучена роль солнечной энергетики в современном мире и перспективы ее развития в будущем.

-изучена типовая схема солнечной электростанции, виды и характеристики современных солнечных батарей.

-оценена возможность самостоятельного создания маломощного источника питания, которое может быть эффективно использовано в быту.

-создан демонстрационный стенд, который был опробован в действии для питания маломощных бытовых устройств, в частности, для зарядки мобильных телефонов. Стенд показал возможность и удовлетворительную эффективность его практического использования. Измерения показывают, что даже при искусственном освещении ток, который заряжает наш аккумулятор, составляет примерно 60-65% тока, вырабатываемого в солнечный день. Однако в пасмурную погоду этот показатель оказался гораздо ниже и не составляет даже 100 мА, что не является оптимальным режимом для зарядки аккумулятора.

Итак, какие же практические рекомендации можно дать по использованию солнечного электричества? Прежде всего приходится с сожалением признать, что цена его пока очень высока. Например, если мы купим солнечную электростанцию для энергоснабжения своего жилища, то, при расчетном сроке окупаемости 20 лет, мы получим приблизительную стоимость вырабатываемого ею электричества 8-20 рублей за киловатт/час. Учитывая, что стоимость электричества от городской сети составляет сейчас чуть более 3-х рублей за киловатт/час – сравнение не в пользу Солнца. Но это в городе. Если же городская сеть недоступна (например, загородный коттедж)то нас вполне может устроить автономное энергоснабжение по цене за киловатт/час в 8-20 рублей. Это дешевле, чем дизель-генератор, и, к тому же, бесшумно. Готовая автономная солнечная электростанция для загородного коттеджа, позволяющая постоянно отдавать мощность около 3-х киловатт, обойдется нам в 350-400 тысяч рублей.

Готовые решения для производства солнечной электроэнергии сегодня легко купить, однако для автономного питания их приобретают достаточно редко. Чаще всего их покупают для трех следующих целей:

1. Резервная электростанция

Используется в случаях, когда подключение к сети 220 Вольт есть, но бывают отключения электричества на время от нескольких часов до 2-3 дней. Речи об экономии денег при таком применении не идет. Мы просто имеем электричество без перебоев. Это, согласитесь, тоже важно.

2. Гибридная электростанция

Гибридная солнечная электростанция — это солнечная электростанция, имеющая также постоянное подключение к сети 220 Вольт.

Она работает следующим образом: при наличии энергии от солнечных батарей, эта энергия используется в первую очередь, а при ее недостатке используется сеть. При такой работе аккумуляторы, входящие в состав оборудования, используются не постоянно, что значительно увеличивает их срок службы.

Стоимость электроэнергии от гибридной солнечной электростанции составит от 6 до 15 рублей за киловатт/час в зависимости от комплектации системы и региона эксплуатации. Если принять во внимание постоянный рост тарифов, уже очень скоро в регионах с большим количеством солнечных дней будет выгодно применять данный тип электростанций.

Кроме того, используя гибридную электростанцию, мы не только сэкономим в будущем, но и при отключении света (сети), не останемся без электричества.

3. Сетевая электростанция

Она не накапливает солнечное электричество в аккумуляторах, а просто отдает его в питающую сеть дома в светлое время суток, снижая энергопотребление от сети, либо «добавляя» мощность там, где установлены лимиты на энергию. Для этого не нужно покупать аккумуляторы, поэтому стоимость электричества такой электростанции может снижаться до 4 рублей за киловатт/час. Это уже сопоставимо с тарифами и позволит экономить деньги уже в очень недалеком будущем.

Стоимость готового решения для трех вышеперечисленных вариантов применения составит приблизительно от 50 до 100 тысяч рублей.

Кроме покупки готового решения, можно построить солнечную электростанцию самостоятельно из приобретенных отдельно комплектующих. Это обойдется дешевле. Если мы решим строить самостоятельно, то начать надо будет с определения необходимой мощности. В среднем, для автономного питания загородного коттеджа (холодильник, водяной насос, энергосберегающие лампы освещения, LCD телевизор, зарядное устройство мобильного телефона, ноутбук, пылесос) – достаточно иметь площадь солнечных батарей около 6 кв. м. Такая площадь позволит в солнечные дни получать от 4 до 5 киловатт/часов в сутки.

Если мы не сильно ограничены в площади, для размещения батарей, то, скорее всего, приобретем поликристаллические – они дешевле. Если доступная площадь мала – нам придется купить монокристаллические, потратив на них на 10% больше. По данным на 2010 год распределение рынка солнечных батарей было следующим: поликристаллические - 53%, монокристаллические - 33% и аморфные - 14%.

Стоимость солнечных батарей можно оценить из расчета 60 рублей за 1 ватт.

При покупке солнечных батарей обязательно обращаем внимание на производителя – лучше брать батареи крупных производителей, имеющих большие объемы производства, потому что при больших объемах производства минимальна вероятность использования некачественных комплектующих, которые приведут к быстрому выходу батареи из строя. Также необходимо смотреть на тестовые характеристики качества батарей. Они бывают трех типов – Grade A, Grade B и Grade C. Батареи Grade A в процессе старения снижают отдаваемую мощность не более, чем на 5%, Grade В – не более, чем на 30 % и, наконец, Grade C – более 30%. Соответственно, лучше покупать батареи Grade A.

Выбор аккумуляторов для использования их в составе солнечных электростанций во многом зависит от того режима, с котором планируется использовать электростанцию. Для электростанций автономного типа приобретаем аккумуляторы с максимальным количеством циклов заряда/разряда, а для резервных – с максимальным сроком службы. Единственный общий совет - аккумуляторы необходимо брать герметичные необслуживаемые, поскольку они не выделяют вредных газов, что важно, так как они устанавливаются в помещении.

В сети Интернет можно найти много подробных расчетов солнечных электростанций для разных видов применения, и это еще раз подтверждает постоянный рост интереса к этому способу получения электроэнергии.

И, в заключении, еще одна рекомендация: чтобы минимизировать расходы на солнечную электростанцию, необходимо тщательно продумывать возможные способы снижения энергопотребления в доме, использовать современные электроприборы, сконструированные с учетом существующих сегодня технологий энергосбережения. Ведь достичь экономии можно не только снижением стоимости электроэнергии, но уменьшением ее потребления.

1. Использованные источники информации

1. Ильин А.К., Ковалев О.П. Нетрадиционная энергетика в Приморском крае: Ресурсы и технические возможности. – Владивосток: ДВО РАН, 1994. – 41 с.

2. Ильин А.К., Пермяков В.В., Нетрадиционные источники энергии для автономных потребителей. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 1997. – 36 с.

3. Ковалев О.П., Волков А.В., Лощенков В.В. Использование солнечной энергии в Приморском крае // Вестник ДВО РАН. 2001. №5. – С. 92 – 98.

4. Ковалев О.П. О возможности использования ветровой энергии на мысах г. Владивостока // Труды ДВГТУ. Вып. 134. Теплоэнергетика. – Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2003. – С. 92

5. Оборудование нетрадиционной и малой энергетики: Справочник-каталог. – М.: АО ВИЭН, 2000. – 166 с.

6. Проблемы и перспективы развития возобновляемых источников энергии в России. Материалы круглого стола / Под общ. ред. акад. Ю.В. Гуляева. – М.: НИЦ Инженер, 2003. – 96 с.

7. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 208 с.

8. Шишкин Н.Д. Малые энергоэкономичные комплексы с возобновляемыми источниками энергии. – М.: Готика, 2000. – 236 с.

9. Юдасин Л. С Энергетика проблемы и надежды М. Просвещение, 1990.

10. http://dic.academic.ru/dic.nsf/ntes/1854/

11. http://top.rbc.ru/economics/17/06/2013/862008.shtml

12. http://www.alisen.ru/

13. http://www.skif.biz/

14. http://myevolution.ru

15. http://cxem.net/greentech/greentech24.php

16. http://lab-37.com/futures/solar_panels/

17. http://kpcevrf.ucoz.ru/news/vlijanija_tehc_na_okruzhajushhuju_sredu/2009-12-15-21

18. http://www.vitadez.ru/interesnoe/interesnoe1/atomnie-elektrostantsii

19. http://www.solarbat.info/istoria-razvitia-solnechnoi-energetiki

20. http://www.helios-house.ru/kak-econ.html

7. ие

Приложение 1. Виды электростанций

Тепловая электростанция Ветряные электростанции

Гидроэлектростанция Атомная электростанция

(Красноярская ГЭС) (Волгодонская АЭС)

Солнечные батареи

Приложение 2. Устройство солнечной батареи

КПД солнечной батареи на основе монокристаллического кремния составляет 25-30%

КПД солнечной батареи на основе поликристаллического кремния составляет 15-20%.

КПД солнечной батареи на основе аморфного кремния составляет 10-15%.

Приложение 4. Устройство солнечной электростанции на примере действующей модели.

Солнечная батарея демонстрационного стенда: площадь1,5 кв. дециметра, мощность 1,65 ватта

Аккумулятор демонстрационного стенда, емкость 1000 мА/час, номинальное

напряжение 3,7 В

Контроллер-инвертор демонстрационного стенда, управляет режимом зарядки аккумулятора, а также преобразует напряжение аккумулятора 3,7 В в постоянное стабилизированное напряжение 5В

Солнечная электростанция в действии.

Осуществляется зарядка мобильного телефона в пасмурный осенний день.

Приложение 3. Материалы для изготовления солнечных элементов

Основным материалом для производства солнечных элементов является достаточно распространенный химический элемент – кремний (Si), составляющий почти четвертую часть массы земной коры. Однако встречается он в природе в связанном виде. Это обычный песок (SiO2). Технология извлечения чистого кремния сложна и настолько дорога, что стоимость чистого (не более одного грамма примесей на 10 кг продукта) силициума сопоставима со стоимостью обогащенного урана, необходимого для работы атомных электростанций. И хотя природные запасы кремния больше запасов урана почти в 100 000 раз, качественного чистого кремния, из-за сложности получения, производится почти в 6 раз меньше, чем уранового топлива для АЭСТак, из тонны кварцевого песка, содержащего около 500 кг кремния, при применении действующих сегодня технологий электродугового извлечения и хлорсилановой очистки, получается от 50 до 90 кг «солнечного» кремния. Непонятно, чем можно объяснить такое положение дел в солнечной энергетике нашей страны, поскольку уже давно существуют более прогрессивные технологии, например, карботермический цикл, применяемый для получения чистого кремния немецкой фирмой Siemens. В результате применения этой технологии энергозатраты снижаются на порядок и в 10-15 раз увеличивается производительность, что приводит к уменьшению стоимости конечного продукта до 5-15 долларов за 1 килограмм. В нашей стране находятся самые крупные запасы «особо чистых кварцитов», необходимых для применения немецкой технологии получения чистого кремния, поскольку обычный песок для нее уже не годится.

Выпускаемые в настоящее время солнечные элементы представляют собой достаточно громоздкую конструкцию: при толщине батареи в несколько сантиметров ее вес достигает десятков килограммов. Для получения достаточного количества энергии такие элементы должны занимать значительную площадь: так, элемент размером метр х метр имеет мощность всего около 140 ватт. Невелик и коэффициент полезного действия такой батареи (около 30-35%), что объясняется снижением генерируемой мощности при нагревании, которого избежать в принципе невозможно, поскольку элемент работает на солнце.

Развитие технологий солнечной энергетики происходит по пути совершенствования материала слоев полупроводников. Наибольшие перспективы имеют аморфный и микрокристаллический кремний, из которых возможно выращивать пленки толщиной всего несколько нанометров. Фотогальванический элемент, представляющий из себя две такие пленки, осажденные одна на другую на стеклянной поверхности, обладает высокой электропроводимостью и пригоден для длительного применения. Эти элементы можно размещать на поверхности любой конфигурации, наносить на ткани, даже использовать вместо жалюзи. Коренным образом изменилась и технология нанесения слоев полупроводника. Ранее нанесение осуществлялось путем вакуумного напыления, в настоящее же время разработана инновационная технология – печатание специальными чернилами, содержащими смесь полупроводниковых наночастиц. Применение новой технологии и увеличение объемов производства привели к значительному удешевлению солнечной электроэнергии, что меньше стоимости атомной энергии.

Приложение 4. О взаимосвязи необходимой емкости аккумуляторов и характеристик солнечных батарей.

Емкость аккумуляторов, которые необходимых для конкретной солнечной электростанции, напрямую связана с мощностью и требуемым режимом работы полезной нагрузки.

Нам может требоваться питать полезную нагрузку только в темное время суток (например, уличные фонари). В этом случае вся вырабатываемая солнечной батареей днем электроэнергия расходуется только на зарядку аккумуляторов. Таким образом, мощности солнечной батареи должно хватать на обеспечение требуемого зарядного тока аккумулятора, чтобы аккумулятор за время светового дня успел полностью зарядиться, а емкость аккумулятора должна быть такой, чтобы обеспечить питание полезной нагрузки в течение темного периода суток.

В другом случае, нам может потребоваться питать полезную нагрузку только в рабочие часы, которые в подавляющем большинстве случаев приходятся на светлое время суток. В этом случае аккумуляторы большой мощности нам не нужны, а мощность солнечной батареи будет практически полностью расходоваться на питание полезной нагрузки, и только малая часть ее будет подзаряжать аккумулятор, который здесь превращается в маломощный аварийный источник кратковременного питания.

Может понадобиться обеспечить питание полезной нагрузки круглосуточно (например, какие-либо автономные датчики, маяки, системы слежения). В этом случае мощность солнечной батареи должна быть существенно выше, поскольку кроме заряда аккумулятора она должна еще одновременно питать полезную нагрузку.

Приложение 5. О других способах «запасать» электричество на ночь

Еще один интересный способ накопления солнечной электроэнергии применяется в некоторых зарубежных странах: там можно излишки солнечной электроэнергии, вырабатываемой в течение дня, «отдать взаймы» в электрические сети коллективного использования. Эти переданные излишки будут учтены, могут быть бесплатно получены в темное время суток обратно из общей электросети.

Солнечные батареи – штука замечательная, но чтобы полностью обеспечить энергией здание, пришлось бы покрыть его панелями сверху донизу. А как же окна? Панель батареи, способной хотя бы частично питать смартфон или компьютер, тоже отличается компактностью. Вот если бы солнечные батареи можно было делать в виде тонкой прозрачной пленки, тогда эти проблемы бы исчезли, коммунальные счета снизились, и заряда аккумулятора хватало бы на более долгое время.

Батарея состоит из полимера, способного эффективно поглощать энергию солнечного излучения и притом остающегося почти полностью прозрачным на вид. Секрет тут в том, что поглощение почти целиком приходится на ближнюю инфракрасную область спектра, не воспринимаемую глазом, хотя кожей мы его чувствуем как жар. Из оптических же лучей сквозь такую пленку проходит почти что 70% (66% для зеленого света с длиной волны 550 нм). Такую цифру даже в ГИБДД признают почти не влияющей на видимость и приемлемой для тонировки боковых стекол автомобилей.

Лабораторные тесты показали, что такой материал преобразует в электричество около 4% энергии падающего на нее излучения, то есть в 4-5 раз меньше традиционных кремниевых батарей. Впрочем, эта величина наверняка не предел: уже сегодня мировой рекорд эффективности полимерных солнечных батарей (принадлежащий, кстати, команде того же Яна) почти вдвое выше – 7,7%. И если авторы добьются того же от прозрачной пленки, дело будет сделано.

Испанская компания Wysips представила пленку, предназначенную для дисплеев смартфонов и планшетных компьютеров. Это изобретение превращает дисплеи мобильных гаджетов в настоящие солнечные батареи, которые выполняют функцию зарядки. Пленка от Wysips толщиной всего 0,1 мм способна генерировать электроэнергию, которой вполне хватит для полноценной зарядки гаджета. Авторы новинки уверены, что с такой пленкой в будущем люди откажутся от традиционной зарядки от сети. Показатель новинки — 3 мВт/ч на 1 кв. см. Если устройство находится на открытом солнце, время его автономной работы существенно увеличивается, так как гаджет может постоянно питаться за счет солнечных лучей.

Главная особенность пленки Wysips — она прозрачна на 90%, как и любые защитные покрытия для гаджетов. По словам разработчиков, стоимость инновационной пленки, например, для экрана iPhone, составит всего $1.

Сейчас специалисты Wysips продолжают работу над своим изобретением и планируют к 2014 году выпустить в розничную продажу пленку, которая могла бы генерировать уже 10 мВт/ч на 1 кв. Этого хватит, чтобы полностью зарядить смартфон с нуля до 100% за 6 часов.

По оценкам специалистов, к 2100 году Солнце станет доминирующим источником энергии на планете. Во многих странах солнечная энергетика получила активную государственную поддержку и стремительно развивается.

К примеру, в Германии, на большей части которой уровень солнечной инсоляции значительно ниже, чем в России, совокупная мощность СЭС возросла с 1.1 ГВт в 2004 г. До 23 ГВт к началу текущего года. Около половины прироста (10 ГВт) пришлось на прошлый год.

Перспективы развития солнечной энергетики в России остаются весьма неопределенными. Правительство в конце мая приняло пакет документов, призванных стимулировать развитие в РФ возобновляемой энергетики, что поможет привлечь в эту сферу инвесторов. Общая мощность солнечной энергетики в России к 2020г. может вырасти практически в 1000 раз, однако ее доля в общем энергобалансе РФ останется незначительной и несопоставимой по сравнению с европейскими странами.

Эксперты отмечают, что развитию альтернативной энергетики в РФ мешает непроработанность технической и правовой базы, а также недостаточное производство оборудования. По их оценкам, в целом для России актуально развитие возобновляемой энергетики, однако нет необходимости наращивать долю возобновляемой генерации в энергобалансе до европейских уровней.

В настоящее время, по оценкам отраслевых экспертов, общая мощность солнечной генерации в России не превышает 2 МВт. Общая мощность энергосистемы РФ на конец 2012г., по оценке Системного оператора ЕЭС, составляет около 223 ГВт. Доля солнечной генерации ничтожна - менее одной тысячной доли процента в общем энергобалансе. Между тем в ближайшие годы ожидается реализация первых крупных проектов в сфере солнечной энергетики, и к 2020г. запланирован ввод около 1,5-2 ГВт мощностей.

Общая мощность солнечной генерации за этот срок может увеличиться в тысячу раз, однако все равно будет составлять менее 1% в энергобалансе. Наиболее актуально ее развитие в труднодоступных, энергодефицитных регионах, а также в регионах с высоким уровнем инсоляции (объем солнечного излучения).

Директор Ассоциации солнечной энергетики России Антон Усачев среди регионов, в которых наиболее развита солнечная энергетика, называет Республику Алтай, Белгородскую область и Краснодарский край. В первых двух субъектах расположены крупнейшие на сегодняшний день объекты - гибридные дизель-солнечные установки мощностью по 100 КВт (в алтайском поселке Яйлю такая установка была открыта совсем недавно, 7 июня с.г.).

Кроме того, солнечная энергетика развивается на Дальнем Востоке. В начале июня 2013г. в Якутии в поселке Дулгалах Верхоянского улуса в составе автономного энергетического комплекса была запущена солнечная электрическая станция ОАО "Сахаэнерго" (входит в РАО ЭС Востока). Новая станция стала третьей по счету в ОАО "Сахаэнерго" и первой, построенной севернее линии полярного круга. Она включает фотоэлектрические панели общей мощностью30 кВт.

На сегодняшний день наиболее эффективными из серийно производимых преобразователей солнечной энергии в электрическую являются солнечные батареи на основе монокристаллического кремния (КПД 25-30%), однако они же являются наиболее дорогими. Исходя из этого максимальное распространение сегодня имеют поликристаллические элементы которые обладают оптимальным соотношением – мощность/стоимость.

Развитие технологий (как в способах добычи чистого кремния, так и в создании элементов из альтернативных материалов) выводит на рынок новые виды солнечных батарей, в частности, прозрачных, которыми можно покрывать поверхность стекол зданий и сооружений, что позволяет увеличить доступную для размещения солнечных батарей площадь. Это позволяет смотреть на будущее солнечной энергетики с большим оптимизмом.

Развитие солнечной энергетики в России происходит медленными темпами, что связано с наличием больших запасов, не возобновляемых энергоресурсов и, как следствие, отсутствием стимулов для инвестиций в исследования, связанные с совершенствованием использования альтернативных источников энергии.