Реферат: Солнечная энергетика

Технические характеристики.

1. Электрические параметры*

* - Электрические параметры указаны для стандартных условий измерений.

** - Диапазон номинальных мощностей указан в зависимости от эффективности использованных СЭ.

2.  Геометрические данные, мм

6.1.2.     Портативная система солнечного электропитания

Предназначена для питания бытовой и специальной электроаппаратуры постоянного тока мощностью до 60 Вт. Изготавливается на основе солнечных фотоэлектрических модулей (МФ). В состав системы входят: солнечная батарея, герметизированная аккумуляторная батарея (АБ) с контроллером заряда – разряда и устройством сигнализации о режиме работы системы (смонтированы в отдельном блоке), сетевое зарядное устройство (адаптер) и светильник с компактной люминесцентной лампой.

Технические характеристики

Особенности системы:

·  Аккумулирование энергии, поступающей от различных источников, включая солнечные и термоэлектрические батареи, сетевого зарядного устройства.

·  Технологичность, простота сборки и эксплуатации осуществляется благодаря применению электрических разъемов.

·  Небольшой вес и компактность.

6.1.3.     Солнечная система автономного освещения

Предназначена для освещения внутри и снаружи зданий и улиц без использования традиционных источников электропитания (склад пожароопасных и взрывчатых веществ, места отдыха и т.п.).

Электропитание осуществляется от солнечной батареи и аккумуляторной батареи.

Особенности:

Ø  работоспособность в условиях минусовой температуры    (до20 С),

Ø    широкий диапазон программирования рабочего режима,

Ø  большой срок эксплуатации без обслуживания (до 5 лет).

1 – фотоэлектрический модуль;

 2 – люминесцентный светильник;

3 – опора;

 4 – гравий;

5 – аккумуляторная батарея;

6 – бетонный фундамент;

7 – грунт

6.1.4.     Солнечная водоподъемная установка

Предназначена для подъема воды из водоисточников с глубиной залегания воды до 20 м. Установка применяется  для водоснабжения садово-огородных и дачных участков, приусадебных и фермерских хозяйств, отгонных пастбищ и других объектов.

Состав и параметры комплекта

Солнечная батарея

Число модулей типа МФ36/4-С, шт.     2

Мощность, Вт  60

Габаритные размеры, мм  90096030

Масса, кг 11

Контроллер

Мощность выходная, Вт  250

Напряжение, В    12

Габаритные размеры, мм  20020080

Масса, кг  1,0

Аккумуляторная батарея

Количество, шт    1

Напряжение, В  12

Емкость, Ач    90

Тип  автомобильный

Масса, кг  34

Инвертор напряжения

Напряжение входа, В  12

Напряжение выхода, В   220

Мощность, Вт   600

Масса, кг   2,2

Водяной насос (вибрационный)

Мощность, Вт   200

Производительность, л/ч   300

Номинальная высота подъема, м   20

Максимальная высота подъема, м   40

Масса, кг  3,5

Водяной шланг

Диаметр, мм    19

Длина, м   25

Масса, кг 10

6.1.5.  Энергосберегающие вакуумные стеклопакеты

Предназначены для герметизации солнечных фотоэлектрических элементов при изготовлении солнечных модулей и создания теплосберегающих прозрачных экранов в конструкциях зданий и теплиц в виде различных стеклянных покрытий (оконные проемы, лоджии, зимние сады, оранжереи и т.п.)

Использование вакуумных паяных стеклопакетов позволяет в значительной мере решить проблемы энергосбережения.

Стандартные стеклопакеты состоят из двух или трех листов стекла, склеенных между собой с помощью специальной рамки. Такие стеклопакеты заполнены инертным газом и снабжены поглотителями влаги для предупреждения запотевания и замерзания стекла.

ВИЭСХом совместно с предприятиями электронной промышленности разработаны принципиально новые вакуумные стеклопакеты, обладающие уникальными свойствами. В результате срок службы, определяемый ресурсом сохранения герметичности, составляет 4050 лет.

Воздух (или инертный газ) в пространстве между стеклами заменен на вакуум, что улучшило теплоизолирующие и шумопоглощающие свойства. В таблице представлены теплоизолирующие свойства вакуумных стеклопакетов. При наличии специального покрытия на стеклах сопротивление теплопередачи может быть увеличено в 10 раз по сравнению с одинарным остеклением.

Сопротивление теплопередачи прозрачных ограждений зданий, теплиц и солнечных установок

Высокая долговечность и прекрасные теплоизолирующие свойства получены при толщине вакуумного зазора 40 мкм и толщине стеклопакета 45 мм. Если в жилом доме двойные оконные рамы с толщиной стекла 5 мм, то при замене стекла на стеклопакеты толщиной 5 мм используются те же оконные рамы. Теплоизолирующие свойства окна улучшатся в 510 раз и будут такими же, как у кирпичной стены толщиной 0,51 м. Это самый экономичный метод повышения комфортности жилого помещения, так как не требует замены рам. Минимальная стоимость стеклопакета толщиной 5 мм составляет 1000 руб./м2.

При строительстве теплицы или зимнего сада из вакуумных стеклопакетов затраты энергии на отопление снизятся на 90%. Солнечные установки с вакуумными стеклопакетами (см. рисунок) будут нагревать воду не до 60°С, а до 90°С, т. е. они из установок для горячего водоснабжения переходят в разряд установок для отопления зданий. Новые технологии дают простор для фантазии архитекторов и строителей. Представьте себе обычный теплый дом с кирпичными стенами толщиной 1 м и такой же теплый дом с толщиной стен 10 мм, выполненных из вакуумных стеклопакетов.

Конструкция стеклопакетов защищена свидетельствами на полезную модель и двумя патентами на изобретения.

Технология изготовления имеет ноу-хау.

6.2.  Солнечная энергия в Крыму

В Крыму наблюдается также наибольшее число часов солнечного сияния в течение года (2300-2400 часов в год) , что создает энергетически благоприятную и экономически выгодную ситуацию для широкого практического использования солнечной энергии.

В то же время, источник имеет довольно низкую плотность (для Крыма до 5 ГДж на 1 м 2 горизонтальной поверхности) и подвержен значительным колебаниям в течение суток и года в зависимости от погодных условий, что требует принятия дополнительных технических условий по аккумулированию энергии.

Основными технологическими решениями по использованию энергии являются: превращение солнечной энергии в электрическую и получение тепловой энергии для целей теплоснабжения зданий.

Прямое использование солнечной энергии в условиях Крыма, для выработки в настоящее время электроэнергии, требует больших капитальных вложений и дополнительных научно-технических проработок.  В 1986 г. вблизи г. Щелкино построена первая в мире солнечная электростанция (СЭС-5) мощностью 5 тыс. кВт. К 1994 г. она выработала около 2 млн. кВт. час электроэнергии. Эксперимент с СЭС показал реальность преобразования солнечной энергии в электрическую, но стоимость отпускаемой электроэнергии оказалась слишком высокой, что в условиях рыночной экономики является малоперспективным.

В настоящее время ПЭО "Крымэнерго" обосновало применение в Крыму солнечно-топливных электростанций, являющихся СЭС второго поколения с более высокими технико-экономическими показателями. Такую электростанцию планируется построить в Евпатории. Сегодня солнечная энергетика получила широкое развитие в мире. Мировым лидером по строительству СЭС является американско-израильская фирма "Луз", сооружающая станции мощностью 30-80 МВт, на которых используется принципиально новая технология с параболоциливдрическими концентратами солнечного излучения. Себестоимость вырабатываемой ими электроэнергии ниже, чем на атомных электростанциях.  Перспективность применения фотоэлектрического метода преобразования солнечной энергии обусловлено его максимальной экологической чистотой преобразования, значительным сроком службы фотоэлементов и малыми затратами на их обслуживание. При этом простота обслуживания, небольшая масса, высокая надежность и стабильность фотоэлектропреобразователей делает их привлекательными для широкого использования в Крыму.

Основными задачами по широкому внедрению фотоэлектрических источников питания являются:

Ø  разработка научно-технических решений по повышению КПД фотоэлементов;

Ø  применение высокоэффективных фотоэлементов с использованием концентраторов солнечного излучения.

Техническая подготовленность отечественных предприятий на Украине позволяет освоить производство фотоэлектрических источников питания на суммарную установленную мощность до 100 МВт.

Мощность фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии, внедряемых в Крыму к 2010 г., может составить до 3,0 МВт, что может обеспечить экономию топлива до 1,7 тыс т у. т. в автономных системах энергообеспечения.

Солнечная энергия в Крыму может использоваться не только для производства электроэнергии, но и тепла. Это реально при широком распространении в республике солнечных батарей (коллекторов) , легко сооружаемых и высокорентабельных. Разработкой и изготовлением солнечных коллекторов новой конструкции занимаются ГНПП “Гелиотерн” , “Крымэнерго” (пос. Утес) и трест “Южстальмонтаж” (г. Симферополь) . Горячее водоснабжение от солнца (коллекторов) сбережет дефицитное органическое топливо и не будет загрязнять воздушный бассейн. В настоящий же период 80% тепловой энергии производят более трех тысяч котельных, которые не только сжигают огромное количество органического топлива, по и существенно повышают концентрацию газопылевых загрязнений воздушной среды.

Для успешного внедрения экологически чистых систем солнечного теплоснабжения, повышения надежности их функционирования необходимо:

Ø  разработать и внедрить в производство на предприятиях Крыма различные виды энергетически эффективных солнечных коллекторов с улучшенными теплотехническими характеристиками, отвечающими современному зарубежному уровню, в частности: с селективным покрытием, вакуумные, пластмассовые для бытовых нужд, воздушные для нужд сельского хозяйства;

Ø  довести выпуск солнечных коллекторов к 2010 г. до 3-5 тыс. штук в год, что эквивалентно замещению годового использования топлива - 0,35 - 0,65 тыс. у.е. т. ;

Ø  увеличить в 2-3 раза выпуск высокоэффективных теплообменников для солнечных установок;

Ø  обеспечить достаточную постановку запорной и регулирующей арматуры, приборов для автоматизации технологических процессов.

Реализация этих предложений позволяет создать в Крыму собственную промышленную индустрию по выпуску основного специализированного оборудования для комплектации и строительства установок по использованию солнечной энергии.

Наиболее перспективными направлениями солнечного теплоснабжения на ближайшую перспективу (до 2010 г.) являются:

Ø  солнечное горячее водоснабжение индивидуальных и коммунальных потребителей сезонных объектов (детские, туристические, спортивные лагеря, объекты санаторно-курортной сферы, жилых и общественных зданий) ;

Ø  пассивное солнечное отопление малоэтажных жилых домов и промышленных сооружений, главным образом, в сельской местности и Южном берегу Крыма;

Ø  использование солнечной энергии в различных сельскохозяйственных производствах (растениеводство в закрытых грунтах, сушка зерна, табака и других сельхозпродуктов и материалов) ;

Ø  применение низкопотенциальной теплоты, полученной на солнечных установках, для разнообразных технологических процессов в различных отраслях промышленности (для пропарки при производстве железобетонных изделий и др. целей) .

Экономия топлива на отопительных котельных от внедрения этих установок может составить к 2000 г. - 4,01 тыс. т у. т., за период 2001-2005 г. - 6,5 тыс. т у. т. и за период с 2006 по 2010 г. - 11,66 тыс  у. т.

Дополнительная выработка электроэнергии от работы солнечных фотоэлектрических преобразователей батарей может составить к 2000 г. - 0,30 млн. кВт.ч., за период с 2001 по 2005 г. - 0,72 млн. кВт.ч., за период с 2006 по 2010 гг. - 1,8 млн. кВт.ч.

Для реализации программы к 2010 г. промышленность Крыма должна обеспечить производство солнечных коллекторов до 3,5 - 4,0 тыс. штук ежегодно.

6.3.  Крымская солнечная электростанция

Проекты электростанции, где турбину будет вращать пар, полу­ченный из нагретой солнечными лучами воды, разрабатывается сей­час в самых различных странах. В СССР экспериментальная солнеч­ная электростанция такого типа по­строена на солнечном побережье Крыма, вблизи Керчи. Место для станции выбрано не случайно— ведь в этом районе солнце светит почти две тысячи часов в год. Кро­ме того, немаловажно и то, что земли здесь солончаковые, не при­годные для сельского хозяйства, а станция занимает довольно боль­шую площадь.

Станция представляет собой не­обычное и впечатляющее соору­жение. На огромной, высотой более восьмидесяти метров, башне уста­новлен солнечный котел парогене­ратора. А вокруг башни на обшир­ной площадке радиусом более полукилометра концентрическими кругами располагаются гелиоста­ты —сложные сооружения, серд­цем каждого из которых является громадное зеркало, площадью бо­лее 25 квадратных метров. Очень непростую задачу пришлось решать проектировщикам станции — ведь все гелиостаты (а их очень мно­го — 1600!) нужно было располо­жить так, чтобы при любом положении солнца на небе ни один из них не оказался в тени, а отбра­сываемый каждым из них солнеч­ный зайчик попал бы точно в вер­шину башни, где расположен паро­вой котел (поэтому башня и сдела­на такой высокой). Каждый гелио­стат оснащен специальным устрой­ством для поворота зеркала. Зерка­ла должны двигаться непрерывно вслед за солнцем — ведь оно все время перемещается, значит, зай­чик может сместиться, не попасть на стенку котла, а это сразу же скажется на работе станции. Еще больше усложняет работу станции то, что траектории движения гелио­статов каждый день меняются: Зем­ля движется по орбите и Солнце ежедневно чуть-чуть меняет свой маршрут по небу. Поэтому управле­ние движением гелиостатов пору­чено электронно-вычислительной машине — только ее бездонная па­мять способна вместить в себя за­ранее рассчитанные траектории

движения всех зеркал.

Под действием сконцентриро­ванного гелиостатами солнечного тепла вода в парогенераторе нагре­вается до температуры 250 гра­дусов и превращается в пар вы­сокого давления. Пар приводит во вращение турбину, та — электро­генератор, и в энергетическую сис­тему Крыма вливается новый ру­чеек энергии, рожденной солнцем. Выработка энергии не прекратится, если солнце будет закрыто тучами, и даже ночью. На выручку придут тепловые аккумуляторы, установ­ленные у подножия башни. Излиш­ки горячей воды в солнечные дни направляются в специальные хра­нилища и будут использоваться в то время, когда солнца нет.

Мощность этой экспери-менталь­ной электростан-ции относительно неве-лика — всего 5 тысяч киловатт. Но вспомним: именно такой была мощность первой атомной электро­станции, родона-чальницы могучей атомной энергетики. Да и выработ­ка энергии отнюдь не самая глав­ная задача первой солнечной эле­ктростанции — она потому и назы­вается экспериментальной, что с ее помощью ученым предстоит найти решения очень сложных задач эксплуатации таких станций. А та­ких задач возникает немало. Как, например, защитить зеркала от за­грязнения? Ведь на них оседает пыль, от дождей остаются потеки, а это сразу же снизит мощность станции. Оказалось даже, что не вся­кая вода годится для мытья зеркал. Пришлось изобрести специальный моечный агрегат, который следит за чистотой гелиостатов. На экспе­риментальной станции сдают экза­мен на работоспособность устрой­ства для концентрации солнечных лучей, их сложнейшее оборудова­ние. Но и самый длинный путь на­чинается с первого шага. Этот шаг на пути получения значительных количеств электроэнергии с по­мощью солнца и позволит сде­лать Крымская экспериментальная солнечная электростанция.

Советские специалисты готовят­ся сделать и следующий шаг. Спроектирована крупнейшая в мире солнечная электростанция мощ­ностью 320 тысяч киловатт. Место для нее выбрано в Узбекистане, в Каршинской степи, вблизи молодо­го целинного города Талимарджана. В этом краю солнце светит не ме­нее щедро, чем в Крыму. По прин­ципу действия эта станция не отли­чается от Крымской, но все ее сооружения значительно масштаб­нее. Котел будет располагаться на двухсотметровой высоте, а вокруг башни на много гектаров раскинет­ся гелиостатное поле. Блестящие зеркала (72 тысячи!), повинуясь сигналам ЭВМ, сконцентрируют на поверхности котла солнечные лучи, перегретый пар закрутит турбину, генератор даст ток 320 тысяч кило­ватт—это уже большая мощность, и длительное ненастье, препят­ствующее выработке энергии на солнечной электростанции, может существенно сказаться на потреби­телях. Поэтому в проекте станции предусмотрен и обычный паровой котел, использующий природный газ. Если пасмурная погода затянет­ся надолго, на турбину подадут пар из другого, обычного котла.

7.1. Солнечная кухня

Помните хмурую личность - Сундукова, из кинофильма "Три плюс два" и его персональную солнечную кухню? Впечатляет?

По своей сути солнечная кухня - это бытовая гелиоустановка, предназначенная для приготовления пищи.

Ее основной элемент - гелиоконцентратор, (чаще всего в виде отражателя параболоидной формы), фокусирующий солнечные лучи на поверхности приёмника излучения (кастрюли, кипятильника и т.п.).

Для легкости применения, гелиоконцентраторы для солнечной кухни имеют невысокую точность фокусирования. Обычно концентрация солнечной энергии (относительное увеличение плотности лучистого потока) не превосходит 250, т.к. большая плотность энергии на поверхности приёмника делала бы солнечную кухню неудобной в обращении.  Вращение гелиоконцентратора  вслед за видимым движением Солнца осуществляется вручную. КПД достигает 55-60%.

Солнечная кухня незаменима в сельской местности и удаленных местах, где нет центрального газоснабжения. Она позволяет приготовить пищу, не разжигая костер. Не нужно использовать уголь и дрова, следить за очагом и беспокоиться о том, что дети могут пострадать от огня.
Например, всего за 15 минут на солнечной кухне можно вскипятить трехлитровый металлический чайник воды, сварить суп.

Так же, солнечные кухни очень удобны в походных условиях. После использования "зонтик" можно сложить и положить в багажник машины, нести в руках.

Использование солнечных кухонь сохраняет время, экономит деньги и "персональную" энергию, которую Вы можете с радостью потратить на своих близких.

7.2. Солнечная стена

Сразу скажем, новация появилась не вчера и уже успела завоевать энное число благодарных поклонников, равно как и ряд наград от разных журналов и организаций. Однако система  периодически всплывает на ресурсах, посвящённых "зелёным" технологиям, и мы не могли пройти мимо - уж больно изящно работает эта вещица, стоящая, кстати, не таких уж больших денег, в сравнении с традиционными системами поддержания "правильной" температуры в зданиях, да и устроенная довольно просто.

Предназначена, главным образом, для офисных и промышленных сооружений среднего и большого "калибра", но, очевидно, не откажется поработать и в крупном коттедже.

Система называется "Солнечная стена" (Solarwall), и производится она транснациональной компанией Conserval Engineering с головным офисом в Канаде.

"Солнечная стена" - это вторая стена, устанавливаемая с зазором примерно в несколько сантиметров поверх южной стены здания. Этот дополнительный слой представляет собой тонкие панели из алюминия или стали, с чёрным покрытием и множеством маленьких отверстий по всей площади.

Верхняя часть образовавшейся между стенами полости соединяется с вентилятором, подающим воздух с улицы в здание.

В осенне-зимний период, когда есть солнце (а так бывает, во всяком случае, в США и Канаде - нередко), чёрные пластины "Солнечной стены" заметно нагреваются. Воздух с улицы втягивается в отверстия, нагревается в промежутке между стенами и попадает в помещение.

Более того, уходящее через настоящую стену (кирпич или та же сталь) здания, ту самую стену поверх которой смонтирована стена "Солнечная", внутреннее тепло прогретого помещения здесь не пропадает зря, а помогает нагревать поступающий внутрь свежий воздух.

Так существенно снижается необходимая мощность штатной системы обогрева здания.

Летом же, как ни странно, эта чёрная стена помогает зданию охлаждаться. Только теперь в системе переключаются заслонки, и нагретый в фальш-стене воздух сразу выбрасывается наружу, а вот его восходящий поток помогает засасывать в здание, через другие каналы, воздух с улицы. И та же стена мешает южному фасаду здания перегреваться.

Так снижается требуемая мощность штатной системы кондиционирования.

 Установленные на ряде промышленных сооружений "Солнечные стены" экономят теперь своим владельцам тысячи долларов в год, а планете - тонны и тонны топлива для электростанций.

7.3.  Солнечные аксессуары

Преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется при помощи фотоэлектрических модулей. Материалом для них служит один из самых распространенных в земной коре элементов - кремний, а "топливом" - солнечные лучи. Сегодня солнечные батареи вошли в повседневный быт многих миллионов людей прочно и навсегда. Они идеальны для путешествий и в вариантах мобильного использования.

Как известно, бывают такие моменты, когда зубная щетка недоступна. Но с этой проблемой достаточно легко справиться. А вот что делать, когда вам необходимо срочно зарядить батареи вашего мобильника или цифрового фотоаппарата, а ближайшая розетка находится от вас на расстоянии, скажем, километров 20, а то и больше?. Как вариант, можно приобрести дополнительные аккумуляторы для всех ваших устройств. Но есть более изящный выход – универсальные зарядные устройства, позволяющие получать электричество практически из воздуха.

Устройства представляют собой батарею солнечных элементов, монтированных в корпус, напоминающий записную книжку. Помимо рабочей поверхности, в корпусе уместился аккумулятор на 700 мАч или на 600 мАч, который может питать внешнее устройство, когда солнечного света нет. Зарядить аккумулятор можно как от солнца, так и от сети с помощью адаптера. Вы легко можете зарядить свой мобильный телефон или фотоаппарат!

Разместив солнечные батареи на поверхности походного рюкзака, производители солар-продукции, предлагают Вам идеальный вариант комфортной мини-электростанции, от которой можно зарядить радио, мобильный телефон или фотоаппарат.

Но пожалуй, наибольшее распространение получили калькуляторы и часы на солнечных батареях - эти устройства потребляют совсем небольшое количество энергии и та батарея, которую можно уместить на корпусе имеет достаточную

Если любите походы и ведете активный образ жизни, или Вам просто нравиться слушать радио, то радиоприемник, работающий на солнечных батареях, создан специально для Вас. При солнечной погоде, Вы будете слушать его весь день. В пасмурную погоду, после 12-ти часов подзарядки радио может работать 6-8 часов. Обычно "походные" приемники включают: компас, термометр, сирену, часы, будильник и фонарик. Компактное радио, с наушниками, можно использовать каждый день.

Существует достаточно широкий выбор игрушек и сувениров на солнечных батареях. Солар-игрушки интресны для ребенка не только своим ярким внешним видом, но и не традиционным принципом работы. Их легко можно взять с собой на дачу в летний день и ребенку будет чем заняться.

7.4.  Солнечные стирлинги

Прежде, чем рассказать о проекте американских энергетиков, нужно сказать пару слов о стирлинге - двигателе. В отличие от дизеля и бензинового ДВС это - двигатель внешнего сгорания. Его тепловой замкнутый цикл кардинально отличается от циклов Отто или Дизеля.

Так, нагрев рабочего газа в цилиндре стирлинга (при подводе тепла извне) происходит при практически постоянном объёме, затем идёт расширение при почти постоянной температуре, потом газ перемещается отдельным поршнем-вытеснителем в холодную зону, где происходит охлаждение при почти постоянном объёме.

Далее следует сжатие при постоянной температуре. Затем вытеснитель загоняет тот же газ в горячую область, и всё начинается сначала.

При этом в канале между горячей и холодной областью часто ставят пористый теплорегенератор, который ускоряет охлаждение и нагрев газа при его движении в ту или иную сторону.

Разумеется, машина, построенная непосредственно мистером Стирлингом, отличается от современных стирлингов так же сильно, как первые дизели, созданные самим Рудольфом Дизелем от дизельных моторов XXI века. Но принцип остался тем же.

 Теоретически КПД Стирлинга может совпадать с физическим пределом, определяемым разностью температур "печки" и "холодильника", да и на практике можно получить от стирлингов КПД порядка 70%, что раза в два выше, чем у хорошего дизеля.

Почему же стирлинг "не пошёл"? Увы, чтобы получить от него сколь-нибудь приемлемую удельную мощность (по отношению к его размерам и весу), как и выжать весь потенциал цикла по КПД, нужно идти на ряд технологических ухищрений, которые сильно удорожают конструкцию.

У стирлинга есть сильные козыри. Это не только КПД, но и почти полное отсутствие шума (никаких взрывов) и возможность работать на любом топливе - от бензина и солярки, до угля, Солнца или атомной энергии.

Собственно, всё, что требуется - это нагревать чем-то определённый узел этого мотора - верхнюю часть закрытого цилиндра.

Потому стирлинги нашли ограниченное применение (на некоторых подлодках или как вспомогательные генераторы).

Очевидно, преимущества этих двигателей становятся особо выгодными при стационарном использовании, когда собственный вес двигателя не важен. Например, при выработке энергии из солнечного излучения.

Об этом инженеры думали давно, да и кое-какие установки такого типа уже строились. Но, кажется, никто ещё не осмеливался строить солнечные фермы на двигателях стирлинга, чтобы производить электроэнергию в хоть каких-то промышленных масштабах.

И вот американская национальная лаборатория Сандия (Sandia National Laboratories), один из крупнейших научных центров, специализирующийся на энергетике, объединила свои усилия с американской компанией Stirling Energy Systems, и начала строить первые "солнечные фермы", основанные на двигателях Стирлинга

Собственно, солнечные стирлинги были разработаны компанией Stirling Energy Systems, а учёные из лаборатории Сандия помогают их совершенствовать.

Было испытано шесть солнечных генераторов, которые обеспечивают электричеством боле 40 домов.

Пять новых систем смонтированы в испытательном центре Сандии. Они присоединяются к первому такому опытному образцу, который был создан в 2004 году, и вместе образуют электростанцию с выходной электрической мощностью 150 киловатт (в дневные часы, конечно).

Солнечный свет концентрируется на двигателях с помощью зеркал, каждое из которых пос-троено из 82 отдельных сек-ций.

"Это будет наибольшая группа солнечных  ус-тановок стир-линга в мире, - утверждает лидер проекта со стороны Сандии Чак Андрака (Chuck Andraka). - В конечном счёте, проект предполагает создание 20 тысяч систем, которые будут размещены на нескольких солнечных фермах и будут поставлять электричество юго-западным распределительным компаниям".

Каждая установка работает автоматически. Без вмешательства оператора или даже присутствия человека. Она запускается каждое утро на рассвете и работает в течение дня, отслеживая солнце и переходя "ко сну" на закате.

Параметры системы могут быть проверены и изменены через Интернет. Исследователи хотят заставить шесть систем плодотворно сотрудничать с тем же самым уровнем автоматизации.

Сам двигатель - замкнутая система, заполненная водородом, который и циркулирует в ней, нагреваясь и охлаждаясь. Изменение в его давлении двигает поршни, которые вращают вал, связанный с электрогенератором.

Полный КПД, рассчитанный от солнечного света и до электричества в выходных проводах, составляет 30%, что немного выше, чем у обычных солнечных батарей.

Стоимость каждой установки - приблизительно $150 тысяч. При серийном выпуске цена на эти стирлинги может быть снижена более чем втрое, что доведёт стоимость электричества, произведённого таким способом, до уровня классических топливных технологий.

Большая сложность самих стирлингов - это подход при проектировании и постройке. Здесь требуется более, так сказать, деликатный подход , чем в случае с дизелем, и он отпугивает многих. Может, и зря. По расчётам авторов проекта, в теории одна ферма солнечных стирлингов, под которую отвели бы территорию всего-то 160 х 160 километров на юге США, покрыла полностью всю потребность страны в электроэнергии.

Но почему-то когда люди говорят об альтернативной энергетике, имеют в виду лишь солнечные батареи, ветрогенераторы, приливные и волновые станции, иногда - геотермальное тепло. Может пора рассмотреть и эту часть альтернативной энергетики?

7.5.  Светильники на солнечных батареях

Еще недавно использование энергии солнца для ночного освещения улиц, парков, автострад было недоступно. Но прогресс не стоит на месте и на сегодняшний день существуют фотоэлектрические системы освещения территорий, основанные на принципе солнечных технологий.

Системы имеют автономное электроснабжение на базе солнечного модуля, что позволяет с наименьшими затратами решить проблему освещения территорий, не имеющих централизованного электроснабжения.

Принцип действия системы прост и надежен. В течении светлого времени суток, фотоэлектрический элемент, превращает солнечную энергию в электрическую и заряжает ею аккумуляторы. С наступлением темноты светильник автоматически включается и обеспечивает мягкое освещение до наступления рассвета.

Для зарядки аккумуляторов, не обязательны прямые солнечные лучи, солнечная батарея способна улавливать солнечную энергию даже в пасмурную погоду и зимнее время суток.

Фотоэлектрическая система освещения состоит из:

1.  Фотоэлектрического модуля, который преобразует солнечный свет в электроэнергию.

2.  Аккумулятора-накопителя энергии. Используются герметичные, необслуживаемые аккумуляторы, срок службы которых в среднем от 5 до 15 лет, в зависимости от модели.

3.  Контроллера - оптимизатора зарядки/разрядки аккумулятора, помогающего продлить эксплуатационный период аккумулятора. Контроллер автоматически включает и выключает освещение на рассвете и закате, но так же имеет в комплекте таймер для настройки режима включение/выключение в заданное время.

4.  Инвертора, который служит для преобразования постоянного тока, в переменный (220В).

5.  Осветительного блока, включающего: плафон и лампу.

Контроллер и аккумулятор помещают в верхней или нижней части столба, а так же возможно расположение под землей.

Все электронные приборы, входящие в состав фотоэлектрической системы, имеют защиту от короткого замыкания, перегрева и перегрузки. Это обеспечивает надёжность системы и эффективную поддержку ее работы.

Светильники для освещения дорог и автострад

 В настоящее время возросла потребность установки осветительных систем на автотрассах, что значительно увеличивает безопасность водителей и пешеходов. Существуют фотоэлектрические системы, предназначенные специально для освещения дорог и автотрасс. Для обеспечения требуемого освещения система устанавливается на столбах высотой 10- 12 метров .

Декоративные садово-парковые светильники

Светильники и фонари на солнечных батареях удобны и практичны, они не требуют ухода, экономят электричество. Они позволяют подсвечивать территорию, создать необходимый уют и комфорт на лоджии, балконе или открытой веранде Вашего дома, на территории загородного участка.

При установке светильников с солнечной панелью нет необходимости выполнять земляные работы, прокладывать траншеи, протягивать электрический кабель, рискуя превратить ухоженный загородный участок в строительную площадку, достаточно просто установить его в нужном месте. Единственное условие: располагать светильники так, чтобы в течение светлого времени суток они не были в тени.

Надежность и простота конструкции, использование слабых токов делают прибор абсолютно безопасным для человека и домашних питомцев.

Светильники мобильны и легко переносимы. Их вес составляет в среднем 400-600 гр. Имеют защищенную от осадков конструкцию.

Модельный ряд, способен удовлетворить любые вкусы и запросы. От простых и "сдержанных" форм до стиля "модерн", "хай-тек" и стилизации "под старину".

Светильник на солнечных батареях -это оригинальный и практичный подарок. Вместе с добрыми пожеланиями дорогому или уважаемому человеку можно подарить частицу солнечного света и тепла. Что может быть приятнее?

7.6. Опреснитель

В первую очередь ученые напра­вили свои усилия на получение с помощью солнечной энергии воды. Вода в пустыне есть, да и найти ее сравнительно нетрудно — расположена она неглубоко. Но ис­пользовать эту воду нельзя — слиш­ком много в ней растворено раз­личных солей, она обычно еще более горькая, чем морская. Чтобы при­менить подпочвенную воду пустыни для полива, для питья, ее нужно обя­зательно опреснить. Если это уда­лось сделать, можно считать, что ру­котворный оазис готов: здесь можно жить в нормальных условиях, пасти овец, выращивать сады, причем круглый год — солнца достаточно и зимой. По расчетам ученых, толь­ко в Туркмении может быть по­строено семь тысяч таких оазисов. Всю необходимую энергию для них будет давать солнце.

Принцип действия солнечного опреснителя очень прост. Это сосуд с водой, насыщенной солями, за­крытый прозрачной крышкой. Вода нагревается солнечными лучами, понемногу испаряется, а пар кон­денсируется на более холодной крышке. Очищенная вода (соли-то не испарились!) стекает с крышки в другой сосуд.

Конструкции этого типа известны довольно давно. Богатейшие залежи селитры в засушливых районах Чили в прошлом веке почти не разраба­тывались из-за отсутствия питьевой воды. Тогда в местечке Лас-Сали-нас по такому принципу был по­строен опреснитель площадью 5 ты­сяч квадратных метров, который в жаркий день давал по 20 тысяч литров пресной воды.

Но только сейчас работы по ис­пользованию солнечной энергии для опреснения воды развернулись широким фронтом. В туркмен­ском совхозе «Бахарден» впервые в мире запустили самый настоя­щий «солнечный водопровод», обеспечивающий потребности лю­дей в пресной воде и дающий воду для полива засушливых земель. Миллионы литров опресненной во­ды, полученной из солнечных уста­новок, намного раздвинут границы совхозных пастбищ.

7.7. Солнечная печь

Согласно расчетам, солнце должно помочь в решении не только энергетических проблем, но и задач, которые поставил перед специалистами наш атомный, кос­мический век. Чтобы построить могучие космические корабли, гро­мадные ядерные установки, создать электронные машины, совершаю­щие сотни миллионов операций в секунду, нужны новые
материа­лы — сверхтугоплавкие, сверхпроч­ные, сверхчистые. Получить их очень сложно. Традиционные ме­тоды металлургии для этого не годятся. Не подходят и более изо­щренные технологии, например плавка электронными пучками или токами сверхвысокой частоты. А вот чистое солнечное тепло может оказаться здесь надежным помощ­ником. Некоторые гелиостаты при испытаниях легко пробивают своим солнечным зайчиком толстый алю­миниевый лист. А если таких гелио­статов поставить несколько десят­ков? А затем лучи от них пустить на вогнутое зеркало концентратора? Солнечный зайчик такого зеркала сможет расплавить не только алюминий, но и почти все известные материалы. Специальная плавиль­ная печь, куда концентратор пере­даст всю собранную солнечную энергию, засветится ярче тысячи солнц.

7.8.  Новый солнечный модуль

Нью-Йоркская компания Prism Solar Technologies разработала концепт солнечного модуля, который использует голограммы для фокусировки света, что может сократить стоимость солнечных модулей на 75%. Это сделает вырабатываемое ими электричество конкурентоспособным в противостоянии с электричеством, вырабатываемым из ископаемого топлива.

В настоящее время, достижением компании для получения преимущества в цене солнечных батарей, базирующихся на кремнии, является фокусировка солнечного света при помощи зеркал или линз, и таким образом сокращение общей площади кремния, необходимого для создания нужного количества электричества.

Обычные световые концентраторы являются довольно громоздкими и непривлекательными, а также они далеко не идеальны для установки на крышах пригородных домов. Новая технология заменяет неприглядные концентраторы аккуратными панелями. Рик Левандовски, президент и исполнительный директор компании говорит, что панели можно устанавливать на крыши и даже встраивать в окна и стеклянные двери.

Системе необходимо на 25-85% меньше кремния, чем в панели из кристаллического кремния сопоставимой мощности, потому что фотоэлектрическим материалом не нужно покрывать всю поверхность солнечной панели, говорит Левандовски. Вместо того, фотоэлектрический материал располагается в несколько рядов. Слой голограмм (созданная при помощи лазера структура, которая преломляет свет) направляет свет на слой стекла, где он продолжает отражаться от внутренней поверхности стекла до тех пор, пока не найдет свой путь к одному из участков фотоэлектрического кремния. Сокращение фотоэлектрического материала необходимо для снижения цены с, приблизительно, $4 за ватт до $1.50.

Компания собирается начать выпуск первого поколения своих модулей уже в конце этого года, продавая их по цене $2.40 за ватт. Последующие поколения модулей с более прогрессивной технологией должны будут сопутствовать дальнейшему снижению цены.

В своих способностях концентрировать свет голограммы не так мощны как обычные концентраторы. Они могут умножать количество света, падающего на ячейки на коэффициент 10, в то время как системы, базирующиеся на линзах, увеличивают этот коэффициент на 100, а некоторые даже на 1000.

8.    КАКОВ МИНУС ВО ВСЕМ ЭТОМ?

Хорошо известно отрицательное воздействие энергетических производств на окружающую среду. Тепловые электростанции, например, сжигают в своих топках ценное материальное сырье — уголь, нефть, газ, — которое в течение миллиарда лет накапливалось на Земле в результате сложных, до конца не понятых процессов. Уничтожение этих запасов будет преступлением перед грядущими поколениями. Работа ТЭС характеризуется значительным тепловым загрязнением биосферы. Не менее 60% энергии, полученной при сгорании углеводородного топлива, бесполезно рассеивается в атмосфере, что ведет к повышению средней мировой температуры, отрицательно влияет на динамику атмосферы, на погодные условия вокруг электростанции. В результате сгорания топлива образуются токсичные продукты — угарный газ, двуокись серы, окислы азота, углеводороды, твердые частицы. Особенно велики выбросы сернистых соединений. Токсичные продукты, попадая в атмосферу, губительно воздействуют на живую и неживую природу Земли. Таким образом, эксплуатация тепловых электростанций отличается значительным потреблением минерально-сырьевых ресурсов, тепловым и химическим загрязнением биосферы Земли. Важным параметром следует считать также воздействие на биосферу на этапе создания энергосистемы — при производстве основных элементов, транспортировке к месту строительства, строительстве. Создание ТЭС характеризуется малым воздействием на окружающую среду.

В случае солнечных электростанций имеет место обратная картина — малое воздействие на окружающую среду во время эксплуатации и большое воздействие на этапе создания системы.

Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Заметим, что использование всего лишь 0,0125 % этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5 % - полностью покрыть потребности на перспективу.

К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одним из наиболее серьезных препятствий такой реализации является низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения "собирали" за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества, нужно разместить их на территории 130000 км2!

Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам, изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км2 требует примерно 104 тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1,17´109 тонн.

Из написанного ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики. Предположим, что в будущем для изготовления коллекторов станет возможным применять не только алюминий, но и другие материалы. Изменится ли ситуация в этом случае? Будем исходить из того, что на отдельной фазе развития энергетики (после 2100 года) все мировые потребности в энергии будут удовлетворяться за счет солнечной энергии. В рамках этой модели можно оценить, что в этом случае потребуется "собирать" солнечную энергию на площади от 1´106 до 3´106 км2. В то же время общая площадь пахотных земель в мире составляет сегодня 13´106 км2.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Подсчеты показывают, что для производства 1 МВт´год электрической энергии с помощью солнечной энергетики потребуется затратить от 10 000 до 40 000 человеко-часов. В традиционной энергетике на органическом топливе этот показатель составляет 200-500 человеко-часов.

На этапе развертывания космической солнечной электростанции потребуется проводить большое число пусков сверхмощных ракет-носителей. При ограничении срока создания космической электростанции двумя годами частота пусков ракет-носителей грузоподъемностью 250 т составит не более двух суток. При этом в верхние слои атмосферы попадает более миллиона тонн продуктов сгорания ракетного топлива, в состав которых входят окислы азота, углерода, а также вода. Последствия такого загрязнения атмосферы непредсказуемы, очевидно, они будут носить негативный характер.

Важным аспектом эксплуатации космической солнечной электростанции следует также считать электромагнитное засорение среды. Непрерывная передача энергии из космоса на Землю в СВЧ-диапазоне волн будет представлять собой новый фактор неблагоприятного воздействия на биосферу. Максимальная плотность потока в энергетическом луче на поверхности Земли принимается равной 23 мВт/см2, на краю ректенны плотность снижается до значения 1 мВт/см2. На расстоянии около 7 км от центра ректенны плотность снизится до величины 10-2 мВт/см2; эта величина соответствует советскому медицинскому стандарту на безопасный уровень длительного СВЧ-облучения человека. Зона, лежащая внутри этого круга, может быть объявлена охранной, допускающей присутствие только обслуживающего персонала, облаченного в специальную одежду. Предстоит еще дополнительно исследовать воздействие электромагнитного излучения на флору, фауну, человека и технические устройства. Очевидно, что фоновое излучение будет создавать помехи работе приемных устройств радио- и телевизионных систем.

В целом по экологическим аспектам создания и эксплуатации космических солнечных электростанций может быть сделан вывод о том, что ее функционирование на орбите будет сопровождаться малым воздействием на окружающую среду, в то время как этапы производства и развертывания связываются со значительным потреблением сырьевых и энергетических ресурсов, большим тепловым и химическим загрязнением биосферы. Последствия такого загрязнения окружающей среды трудно предсказуемы, для их прояснения необходимы дополнительные исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Учитывая  результаты существующих прогнозов по истощению к середине – концу следующего столе­тия запасов нефти, природного газа и других традиционных энергоресурсов, а также сокращение потребления угля (которо­го, по расчетам, должно хватить на 300 лет) из-за вредных выбро­сов в атмосферу, а также употребления ядерного топлива, которого при условии интенсивного развития реакторов-раз­множителей хватит не менее чем на 1000 лет можно считать, что на данном этапе развития науки и техники тепловые, атомные и гидроэлектрические источники будут еще долгое время преобладать над остальными источниками электроэнергии. Уже началось удорожание  нефти, поэтому тепловые электростанции на этом топливе будут вытеснены станциями на угле.

Некоторые ученые и экологи в конце 1990-х гг. говорили о скором запрещении государствами Западной Европы атомных электростанции. Но исходя из современных анализов сырьевого рынка и потребностей общества в электроэнергии, эти утверждения выглядят неуместными.

Неоспорима роль энергии в поддержании и дальней­шем развитии цивилизации. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой дея­тельности, которая не требовала бы – прямо или кос­венно – больше энергии, чем ее могут дать мускулы человека.

Потребление энергии – важный показатель жизнен­ного уровня. В те времена, когда человек добывал пи­щу, собирая лесные плоды и охотясь на животных, ему требовалось в сутки около 8 МДж энергии. После овла­дения огнем эта величина возросла до 16 МДж: в при­митивном сельскохозяйственном обществе она составля­ла 50 МДж, а в более развитом – 100 МДж.

За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник был исчерпан.

Солнце светило и обогревало человека всегда: и тем не менее однажды люди приручили огонь, начали жечь древесину. Затем древесина уступила место каменному углю. Запасы древесины казались безграничными, но паровые машины требовали более калорийного "корма".

Но и это был лишь этап. Уголь вскоре уступает свое лидерство на энергетическом рынке нефти.

И вот новый виток в наши дни ведущими видами топлива пока остаются нефть и газ. Но за каждым новым кубометром газа или тонной нефти нужно идти все дальше на север или восток, зарываться все глубже в землю. Немудрено, что нефть и газ будут с каждым годом стоить нам все дороже.

Замена? Нужен новый лидер энергетики. Им, несомненно, станут ядерные источники.

Запасы урана, если, скажем, сравнивать их с запасами угля, вроде бы не столь уж и велики. Но зато на единицу веса он содержит в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь.

А итог таков: при получении электроэнергии на АЭС нужно затратить, считается, в сто тысяч раз меньше средств и труда, чем при извлечении энергии из угля. И ядерное горючее приходит на смену нефти и углю... Всегда было так: следующий источник энергии был и более мощным. То была, если можно так выразиться, "воинствующая" линия энергетики.

В погоне за избытком энергии человек все глубже погружался в стихийный мир природных явлений и до какой-то поры не очень задумывался о последствиях своих дел и поступков.

Но времена изменились. Сейчас, в конце 20 века, начинается новый, значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика "щадящая". Построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит. Заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы.

Несомненно, в будущем параллельно с линией интенсивного развития энергетики получат широкие права гражданства и линия экстенсивная: рассредоточенные источники энергии не слишком большой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, удобные в обращении.

Яркий пример тому - быстрый старт электрохимической энергетики, которую позднее, видимо, дополнит энергетика солнечная. Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя все самые новейшие идей, изобретения, достижения науки. Это и понятно: энергетика связана буквально со Всем, и Все тянется к энергетике, зависит от нее.

  Поэтому энергохимия, водородная энергетика, космические электростанции, энергия, запечатанная в антивеществе, "черных дырах", вакууме, - это всего лишь наиболее яркие вехи, штрихи, отдельные черточки того сценария, который пишется на наших глазах и который можно назвать Завтрашним Днем Энергетики.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ  ЛИТЕРАТУРА

1.  Авезов Р.Р., Орлов А.Ю.  Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения Ташкент: Фан 1988 г

2.  Авдуевский В.С., Лесков Л.В.   Куда идет советская космонавтика? — М.: Знание, 1990 (серия «Космонавтика, астрономия»)

3.  Андреев С.В. Солнечные электростанции- М.:Наука 2002

4.  Базаров Б.А., Заддэ В.В., Стебков Д.С. и др. Новые способы получения кремния солнечного качества. Сб. "Солнечная фотоэлектрическая энергетика". Ашхабад, 1983

5.  Бурдаков В.П.   Электроэнергия из космоса  М: Энергоатомиздат 1991

6.  Ванке В.А., Лесков Л.В., Лукьянов А.В.  Космические энергосистемы. — М.: Машиностроение, 1997.

7.  Володин В.Е., Хазановский П.И.   "Энергия, век двадцать первый". –М.:Знание, 1998

8.  Грабмайер И.Г. "Сименс". Дешевое изготовление качественного солнечного кремния и листового кремния для солнечных элементов. Труды 7 международной конференции по использованию солнечной энергии 9-12 октября 1990 г. Франкфурт, Германия.

9.  Грилихес В.А.  Солнечные космические энергостанции — Л.: Наука, 1986.

10.  Колтун М.М.  Солнце и человечество М: Наука 1981

11.  Лидоренко Н.С., Евдокимов В.М., Стребков Д.С. Развитие фотоэлектрической энергетики. -М., Информэлектро, 1988

12.  Рубан С.С.  Нетрадиционные источники энергии-М.:Энергия, 2003

13.  Стребков Д.С. Сельскохозяйственные энергетические системы и экология. Альтернативные источники энергии: эффективность и управление. 1990

14.  Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки М. Энергоатомиздат 1991