Солнечная работа

  
                                         История солнечных электростанций     

Первая промышленная солнечная  электростанция была построена в 1985 году в СССР в Крыму, недалеко от города Щелкино. СЭС-5 имела пиковую мощность 5 МВт. Столько же, сколько у первого ядерного реактора. За 10 лет работы она выработала всего 2 миллиона кВт.час электроэнергии, однако стоимость ее электричества оказалась довольно высокой, и в середине 90-х ее закрыли. В это время работы активизировались в Штатах, где компания Loose lndustries в самом конце 1989 года запустила 80-мегаваттную солнечно-газовую электростанцию. За следующие 5 лет та же компания, только в Калифорнии, построила таких СЭС еще на 480 МВт и довела стоимость одного «солнечно-газового» кВт.часа до 7-8 центов. Что совсем неплохо по сравнению с 15 центами за кВт.час энергии - во столько обходится электричество, производимое на АЭС.  
    Использовать энергию Солнца в бытy можно и без превращения ее в электричество. Для того чтобы «протопить» холодную комнату или нагреть воду в водопроводе, можно напрямую воспользоваться солнечным теплом. Установки, собирающие, сохраняющие и передающие это тепло, называются солнечными коллекторами. В простейшем варианте все выглядит так: на крыше дома или на его южной стене устанавливается панель, состоящая из тоненьких трубочек, по которым в специальный бак-аккумулятор подается вода. Солнце нагревает трубки, те нагревают воду, вода (температура которой в этой системе при использовании зеркального поддона может доходить до 60-90°С) накапливается в баке и потом используется для обогрева или горячего водоснабжения. Дома, оборудованные такими системами (которые обычно доукомплектовываются и кремниевыми солнечными элементами), называются «солнечными домами». С одной стороны, этот дом стоит несколько дороже, чем обычный, но с другой - он позволяет резко сократить коммунальные платежи - на 50-70%.  
    Однако встречаются и более серьезные системы. Одна из таких была сооружена в США в штате Нью-Мексико еще в 1978 году и работает до сих пор. Называется - Национальная солнечная установка для тепловых испытаний (NSTTF). Принадлежит она Пентагону и применяется для проверки жаропрочности корпусов военных и гражданских ракет. Состоит NSTTF из 60-метровой башни-мишени и 220 гелиостатов, размером 6х6 метров каждый. Зеркала, подобно архимедовой установке, направляют свои солнечные зайчики в одно полутораметровое пятнышко на верхушке установки, где температура в солнечные дни поднимается до 2 000°С. Всего в 2,5 раза меньше, чем на поверхности Солнца, и в 2 раза выше температyры горения напалма. Установка имеет площадь зеркал 8 500 м² и тепловую мощность 5 МВт.  
    Строительство «солнечных домов» на Западе постепенно становится «правилом хорошего тона»: желающие заплатить за дом лишние 10 000 долларов находятся (1 500-3 000 долларов за солнечные коллекторы и 7 000 долларов за элементы). И все же таких покупателей немного - вложения окупаются только через 7-10 лет. Именно поэтому правительства развитых стран, заботясь о завтрашнем дне, разрабатывают и финансируют программы, облегчающие финансовое бремя владельцев «солнечных крыш». Названия этих программ-проектов примерно одинаковы. Первый был запущен еще в 1990 году в Германии, стране - лидере в деле постройки «солнечных домов». Назывался он «1 000 солнечных крыш» (впоследствии был переименован в «2 000 солнечных крыш»). Следом за Германией подобный проект, только под названием «100 000 солнечных крыш», был принят для всех стран - членов ЕС. В Японии солнечная энергетика начала продвижение с программы «70 000 солнечных крыш». И, наконец, последний проект родился в США. Со свойственным американцам гигантизмом он был назван «1 000 000 солнечных крыш».

Производство солнечного оборудования

В многих странах происходит постоянный рост производства солнечных коллекторов. В настоящее время их мировая  установленная мощность оценивается  в 10 ГВт. Общая площадь солнечных  коллекторов в мире превысила  по неполным данным 21 млн. м2, при этом годовое производство солнечных коллекторов превышает 1,7 млн. м2. Страны-лидеры: Япония - 7 млн. м2, США - 4 млн. м2, Израиль - 2,8 млн. м2, Греция - 2,0 млн. м2. В бывшем СССР максимальное годовое производство составляло 40 тыс. м2 коллекторов, а общая площадь установленных коллекторов, главным образом для горячего водоснабжения, достигала 250 тыс. м2 , но их технический уровень был низким. В России в настоящее время разработаны более совершенные конструкции, не уступающие зарубежным аналогам, но вследствие экономического кризиса в стране объем производства солнечных коллекторов сократился и составляет менее 1 тыс. м2. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии является одним из наиболее быстро развивающихся в мире направлением использования возобновляемых источников энергии. В настоящее время общая мощность установленных солнечных фотоэлектрических систем составляет свыше 938 МВт. Годовые темпы роста за последние 5 лет составляют 30%. Лидируют страны: Япония - 80 МВт, США - 60 МВт, Германия - 50 МВт. Масштабы использования фотоэлектрических солнечных батарей ограничиваются более высокой стоимостью вырабатываемой электроэнергии, по сравнению с энергией, получаемой за счет использования традиционных источников энергии. Удельная стоимость мощности плоских модулей солнечных батарей на мировом рынке составляет 4 - 5 долл./Вт, а стоимость фотоэлектрических установок 7 - 10 долл./Вт. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой модулями, колеблется в пределах 20 - 30 цент./(кВт • ч), что значительно превышает стоимость электроэнергии от традиционных источников.

В России есть большие районы с  централизованным энергоснабжением, но испытывающие острый дефицит энергии, что приводит к значительным потерям, в том числе материальным и  финансовым. Есть регионы, удаленные от централизованных энергосистем - отдельные поселки, деревни, рабочие точки. Использование возобновляемых источников энергии, в том числе солнечного излучения позволило бы решать энергетические и социально-экономические проблемы таких регионов и удаленных мест. То есть вопрос об экономической возможности и эффективности необходимо решать с учетом социально-экономических условий, в том числе дефицита энергии, стоимости топлива, географических и климатических условий.

КПД фотоэлементов  и модулей

Мощность потока солнечного излучения на квадратный метр, без  учёта потерь в атмосфере, составляет около 1350 ват. В то же время, удельная мощность солнечного излучения в  Европе в очень облачную погоду даже днём может быть менее 100 Вт/м². С  помощью наиболее распространённых солнечных батарей можно преобразовать эту энергию в электричество с КПД 9-24 %. При этом цена батареи составит около 1—3 долл. за Ватт номинальной мощности. При промышленной генерации электричества с помощью фотоэлементов цена за кВт·ч составит 0,25 долл. Ожидается, что к 2010 году себестоимость снизится до 0,15 долл.

Сообщается, что в отдельных  лабораториях получены солнечные элементы с КПД 44 %. В 2007 году появилась информация о изобретении российскими учёными (г. Дубна) элементов с КПД 54 %, но эти высокоэффективные панели не могут массово использоваться в виду своей высокой себестоимости, над этой проблемой и работают многие учёные.

 

 

Экспериментальная часть

Мы решили выяснить, от каких факторов зависит преобразование солнечной энергии в другие виды энергии. Чаще всего солнечную энергию преобразуют в электрическую. Поэтому мы взяли различные фотоэлементы и измерили преобразование световой энергии в электрическую. Фото-ЭДС мы измеряли мультитестором. Меняли интенсивность света, падающую на фотоэлемент, убедились в том, что фото-ЭДС зависит от площади фотоэлемента. Вот почему под строительство больших солнечных электростанций нужны большие площади и районы с максимальной интенсивностью света.  

Выводы

Технические трудности, которые будет необходимо преодолеть  конструкторам космических энергостанций, колоссальны, но принципиально разрешимы.  Другое дело — экономика таких сооружений. Кое-какие оценки производят  уже сейчас,  хотя экономические расчеты космических  энергостанций  могут  быть  сделаны лишь  весьма  приближенно.  Сооружение  космической   электростанции   будет выгодным лишь тогда,  когда  стоимость  киловатт-часа  выработанной  энергии составит примерно такую же величину, как стоимость энергии, выработанной  на Земле. По оценкам американских специалистов, для  выполнения  этого  условия стоимость  солнечной  электростанции  в  космосе  должна  быть  не  более  8 миллиардов долларов. Этой величины можно достичь, если в 10 раз снизить  (по сравнению  с   существующей)   стоимость   одного    киловатта    мощности, вырабатываемой солнечными  батареями,  и во  столько же  раз — стоимость доставки полезного груза на орбиту.  А это - невероятно  трудные  задачи.

Видимо, в  ближайшие десятилетия мы вряд ли сможем  использовать  космическую электроэнергию. Но в списке резервов человечества этот источник энергии обязательно будет значиться на одном из первых мест.

В будущем, среди  современных вещей будет сложно отыскать ту, которая, так или иначе, не связанная с высокими технологиями. В будущем люди будут носить галстуки в которых используются гибкие солнечные батареи, которые в дальнейшем можно использовать, как ИП для мобильных телефонов или карманных компьютеров. Первый шаг к такому радужному будущему сделали южнокорейские ученые разработавшие революционную солнечную батарею на гибкой основе.  
Уже сейчас использование солнечных батарей экономически оправдано для обеспечения автономных потребителей электроэнергии, а в будущем солнечная фотоэнергетика станет основным методом получения электроэнергии.

Использованная литература:

1)http://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечная_батарея

2) www.3dnews.ru/editorial/sun_energy;

3) www.biotechnolog.ru.

4) www.powerinfo.ru

5) www.physics03.narod.ru

6) http://sitel2006.narod.ru/solaris.htm

7) http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/110777

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложения

Принципиальная структурная  схема солнечной батареи. Напряжение на единичном кристалле кремния солнечной батареи составляет обычно около 0,5 вольт. Для генерирования большего напряжения используют соединенные между собой последовательно ячейки.

 

 

 

 

 

 

История развития технологии солнечных батарей:

• 1839 - открытие фотогальванического эффекта;
• 1921 - объяснение эффекта Эйншейном (Нобелевская премия по физике 1923 год);
• 1954 - первая кремниевая солнечная батарея (Bell Laboratories, USA);
• 1966 - первая тонкослойная CdS/Cu2O солнечная батарея;
• 1974 - первая аморфная кремниевая батарея;
• 1983 - первая электростанция на основе солнечных батарей с мощностью более 1мегаватт;
• 1984 - США, электростанция на основе солнечных батарей мощностью 6,5 мегаватт;
• 1985 - первая солнечная батарея с коэффициентом полезного действия больше 20%;
• 1987 - первое серийное производство солнечных батарей в Европе;
• 1989 - солнечная батарея с коэффициентом полезного действия больше 30%;

 

 

 

 

 

 

Крупнейшие солнечные  установки в мире

 

Крупнейшие  солнечные установки в мире
Пиковая мощность	Местонахождение	Описание	МВт / год
46.4 МВт	Amareleja, Португалия
11 МВт	Serpa, Португалия	52 000 солнечных модулей
6.3 МВт	Mühlhausen, Германия	57 600 солнечных модулей	6 750 МВт
5 МВт	Bürstadt, Германия	30 000 BP солнечных модулей	4 200 МВт
5 МВт	Espenhain, Германия	33 500 солнечных модулей Shell	5 000 МВт
4.59 МВт	Springerville, США	34 980 солнечных модулей BP	7 750 МВт
4 МВт	Geiseltalsee, Merseburg, Германия	25 000 солнечных модулей BP	3 400 МВт
4 МВт	Gottelborn, Германия	50 000 солнечных модулей	8 200 МВт
4 МВт	Hemau, Германия	32 740 солнечных модулей	3 900 МВт
3.9 МВт	Rancho Seco, США
3.3 МВт	Dingolfing, Германия	Солнечные модули Solara, Sharp и Kyocera	3 050 МВт
3.3 МВт	Serre, Италия	60 000 солнечных модулей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Максимальные  значения КПД фотоэлементов и  модулей, достигнутые в лабораторных условиях
Тип	Коэффициент фотоэлектрического преобразования, %
Кремниевые
Si (кристаллический)	24,7
Si (поликристаллический)	20,3
Si (тонкопленочная передача)	16,6
Si (тонкопленочный субмодуль)	10,4
III-V
GaAs (кристаллический)	25,1
GaAs (тонкопленочный)	24,5
GaAs (поликристаллический)	18,2
InP (кристаллический)	21,9
Тонкие пленки халькогенидов
CIGS (фотоэлемент)	19,9
CIGS (субмодуль)	16,6
CdTe (фотоэлемент)	16,5
Аморфный/Нанокристаллический  кремний
Si (аморфный)	9,5
Si (нанокристаллический)	10,1
Фотохимические
На базе органических красителей	10,4
На базе органических красителей (субмодуль)	7,9
Органические
Органический полимер	5,15
Многослойные
GaInP/GaAs/Ge	32,0
GaInP/GaAs	30,3
GaAs/CIS (тонкопленочный)	25,8
a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль)	11,7

 

 

 

В исследовательской  лаборатории ИКФИА, что возле поселка Ойбенкёль, солнечная батарея используется для получения электричества, которого хватает на освещение помещений и работу оборудования.