Солнечная энергия как возобновляемый источник энергии

С каждым годом население все больше зависит от техники, не представляя и дня без нее. При этом развитие технологий не останавливается, они становятся компактными и очень требовательными к качеству электроэнергии. Следовательно, потребление электроэнергии стало выше и будет расти с каждым разом. Но из-за нестабильности экономики страны цены на потребляемую энергию растут. Если так будет продолжаться, то жители скоро будут оплачивать не только потреблённую электроэнергию, но и потери электроэнергии в квартальных трансформаторах, ЛЭП и т.д. И это касается сельских населённых пунктов и производств, находящихся далеко от крупных городов.

Основным возможным решением этой проблемы являются альтернативные источники энергии, а именно солнечная энергия. В каждой стране существует несколько научных советов, отвечающих за использование солнечной энергии, таких как научные и общественные организации [1].

Каждый из этих научно-консультативных советов разрабатывает план для своей федеральной земли, направленный на увеличение доли солнечной энергии в общей энергетической системе. Например, Минэнерго РФ разработало для России план увеличения доли солнечной энергии во всей энергосистеме РФ до 1,8 % к 2022 году (сейчас она составляет 0,009 %). Для реализации плана необходимы благоприятные рамочные условия, чтобы произведённые экономические затраты амортизировались в короткий срок. Если посмотреть на рисунок 1 [2], то можно увидеть, что солнечные системы не будут эффективными во всех странах, так как солнечная радиация достигает максимальных значений в южных частях континентов.

В настоящее время существует 2 способа получения электроэнергии и тепла из солнечного излучения: производство электроэнергии с помощью фотоэлектрических элементов (с использованием солнечных батарей) и солнечной тепловой энергии. Преобразование энергии в солнечных элементах основано на фотогальваническом эффекте, возникающем в гетерогенных полупроводниковых структурах под действием солнечного излучения. Как правило, панели состоят из нескольких слоев полупроводниковых материалов. Чем больше концентрация света, тем больше производство электричества. Неоднородность структуры фотоэлементов может быть достигнута легированием одного и того же полупроводника разными примесями (образование p-n перехода) или объединением нескольких полупроводников с разной «энергетической щелью» — энергией отрыва электрона от атома (создание гетеропереход) или путём изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещенной зоны (создание структур с градуированной шириной запрещенной зоны). Возможны также различные комбинации этих методов. Эффективность преобразования зависит от электрических свойств гетерогенной полупроводниковой структуры, а также от оптических свойств фотоэлементов, среди которых важнейшую роль играет фотопроводимость. Это связано с явлением внутреннего фотоэффекта в полупроводниках, облученных солнечным светом.

На рисунке 2 [3] изображён принцип работы солнечных батарей. Основным элементом этой системы является инвертор, который предназначен для преобразования постоянного напряжения аккумуляторных батарей в переменное напряжение 220В. Его недостатком является ограниченное время автономной работы, определяющее ёмкостью батарей и потребляемой мощности. Контроллер заряда или разряда — это прибор, который предназначен для управления процессом заряда аккумуляторных батарей. Основным недостатком всех аккумуляторных батарей является малый объем ёмкости и не приспособленность к большим нагрузкам. Данную систему работы солнечных батарей применяют для бесперебойного питания автономных систем, например: освещение, охранная сигнализация и т.д.

Гелиотермальная энергетика — это система нагревания поверхности, которая поглощает солнечные лучи, и последующее распределение и использование тепла (фокусирование солнечного излучения на сосуде с водой для последующего использования нагретой воды в системах отопления или в паровых электрогенераторах). Преобразование солнечных лучей можно получить с использованием 3-х основных технологий:

• первая технология является самым распространённым вариантом снабжения теплом — солнечные коллекторы. Их располагают в неподвижном состоянии так, чтобы нагрев был максимально эффективный. Самым эффективным теплоносителем является воздух, вода и антифриз. Сначала производится нагрев вещества (в данном случае воды) до 45-50°С выше температуры окружающей среды. Всё это происходит в солнечном коллекторе. На рисунке 3 [4] показана схема солнечного водонагревателя, что целесообразно для данной технологии.

• вторая технология (рисунок 4) [5] превращает солнечную радиацию в электрическую с помощью солнечных батарей на основе кремния. Ей нашли применение в космической индустрии, а именно в кораблестроении.

• третья технология (рисунок 5) [6] основана на трансформации солнечной радиации в электрическую с помощью зеркала, которая концентрирует лучи в одной точке. Такой способ используется в Солнечных электростанциях.

На основе проведённого исследования можно сделать следующий вывод: чтобы солнечная энергия была конкурентоспособной нужны наработки для увеличения ёмкости аккумуляторов и увеличения мощности, а также, необходимо проводить больше исследований в плане концентрации солнечных лучей на солнечные панели, тем самым, увеличив их эффективность и уменьшив срок окупаемости. Стремительное развитие солнечной энергетики, с использованием инновационных мировых технологий, является главным конкурентом и в дальнейшем будущем это будет преимуществом на рынке энергетических технологий.

Список литературы

1. Стребков, Д.С. Перспективы развития возобновляемой энергетики /Д.С. Стребков // Журн. энергообес. и энергосбер. в с/х. — 2013. — Т. 33. — №6. — С. 49-52.
2. Ykt [Электронный ресурс] — URL: https://gallery.ykt.ru/photo/view/2048248 (дата обращения: 17.04.2022).
3. Коммуникации [Электронный ресурс] — URL https://leaba.ru/communications/princip-raboty-solnecnoj-batarei-kak-ustroena-panel.html (дата обращения: 17.04.2022).
4. Твоё Солнце [Электронный ресурс] — URL: http://www.sunyour.ru/vodonagrev/opisanie-tehnologii/ (дата обращения: 18.04.2022).
5. Альянс-Нева [Электронный ресурс] — URL: https://alliance-neva.ru/articles/solnechnyie-batarei (дата обращения: 24.04.2022).
6. Альтернативная энергия [Электронный ресурс] — URL: https://altenergiya.ru/poleznye-stati/solnechnaya-energiya-kak-preobrazuyut-v-elektricheskuyu-prakticheskoe-primenenie.html (дата обращения 25.04.2022).

Автор: Юсова Н.Е. (студ. гр. УЖКХбд-31), руковод. Кузьмин А.В. (к.т.н., доцент)

Источник: Новые технологии в теплоснабжении и строительстве: сборник работ студентов — сотрудников научно-исследовательской лаборатории «Теплоэнергетические системы и установки». Выпуск 20 [Электронный ресурс]. — Электронные данные. Ульяновск : УлГТУ, 2022. — 131 с.