Солнечная энергетика, фотоэлектрические системы, солнечные коллекторы и другие устройства.
Энергия Солнца является бесплатной и экологически чистой. Солнечное излучение проходит через атмосферу Земли. Часть его отражается назад в космос. Другая часть (не рассеянная – прямые лучи) излучения достигает поверхности Земли, которую можно достаточно эффективно использовать.
Энергия Солнца и системы на основе солнечной энергии
Солнечные коллекторы и их виды
Фотоэлектрические системы, их устройство и типы
Бытовая солнечная электростанция и ее устройство
Другие виды солнечных устройств
Энергия Солнца и системы на основе солнечной энергии:
Одно из основных преимуществ солнечной энергии – это то, что она является природным возобновляемым ресурсом, который не зависит от использования. Солнечный свет доступен везде и он бесплатный. Солнечная энергия не способствует загрязнению, и таким образом считается чистым источником энергии. Недостатком же в использовании солнечных систем является высокая стоимость оборудования для преобразования света. Однако, благодаря современным технологиям, новым материалам и способам производства есть возможность снижать стоимость солнечного оборудования. Другая основная проблема с солнечными батареями состоит в том, что солнечная энергия не всегда доступна по требованию в определенном расположении на Земле.
Имея дело с солнечной энергией, есть два основного пути ее применения. Первый – прямое преобразование солнечного излучения в электричество, и направление в аккумуляторы для сохранения. Второй – преобразование энергии Солнца для создания тепловой энергии, которую можно хранить и использовать для нагревания чего-либо и производства электроэнергии.
Системы, в которых применяется солнечная энергия, можно разделить на активные и пассивные. Пассивные системы используют только солнечный свет, а активные – используют дополнительные элементы.
К активным системам относятся солнечные коллекторы и фотоэлектрические системы. А к пассивным солнечным системам относятся конструкции зданий, при которых максимизируется потенциал солнечной энергии для нагревания и охлаждения. В северных странах, где солнечный свет не так силён, пассивное солнечное нагревание – одна из самых простых форм солнечных технологий для такого использования.
Солнечные коллекторы:
Солнечный коллектор — устройство, которое получает энергию тепла от Солнца и передает ее на теплоноситель, в роли которого может быть жидкость или газообразное вещество, подходящее для эффективной передачи тепловой энергии. Циркуляция теплоносителя в солнечном коллекторе может быть принудительной и естественной (конвекция).
Солнечные коллекторы применяются для отопления и горячего водоснабжения, как в быту, так и в промышленных масштабах.
Для эффективной работы коллектора, его нужно располагать и ориентировать таким образом, чтобы получить максимальное количество солнечной энергии наибольшей температуры. Он должен быть расположен на пространстве без затенения от ближайших объектов под правильным углом, иначе могут возникнуть оптические потери энергии. А с помощью устройств для отслеживания Солнца, можно еще больше повысить эффективность работы солнечных коллекторов.
Виды солнечных коллекторов:
Плоские коллекторы состоят из термоизолирующего слоя сзади и по сторонам панели, абсорбирующей пластины темного цвета с проходами для трубок с циркуляционной жидкостью и прозрачной защитной крышки.
Абсорбирующее покрытие обычно представляет собой покрытие со специальным оптическим свойством, что позволяет покрытию иметь высокое поглощение и низкое излучение.
Циркуляционная жидкость в тропическом и субтропическом климате обычно представляет собой воду, а в климатических условиях, где возможно замерзание, теплоноситель похож на автомобильный антифриз.
Коллекторы с вакуумными трубками состоит из стеклянной трубки, в которой находится вакуум, окружающий стержень с теплоносителем, благодаря чему достигается более высокая эффективность поглощения солнечной энергии, за счет возможности сохранить около 95% энергии тепла.
Вакуумные коллекторы хорошо подходят для низких температур окружающей среды и хорошо работают в условиях с низкой солнечной освещенностью, обеспечивая более стабильную подачу тепла в течение всего года. Такие коллекторы имеют меньшее аэродинамическое сопротивление, что может упростить установку на крышах в ветреных местах. Промежутки между трубами могут позволить снегу падать через коллектор.
Солнечные плоские коллекторы с вакуумной пластиной объединяют преимущества плоских коллекторов и коллекторов с вакуумной трубкой. Они обеспечивают наивысшую эффективность поглощения энергии, но требуют сложной технологии для производства.
Солнечные воздушные коллекторы нагревают воздух, который проходит через них за счет конвекции или посылается с помощью вентилятора, но при его использовании увеличиваются затраты на эксплуатацию системы.
Преимуществами воздушных коллекторов являются: простота и надёжность. Такие коллекторы чаще всего используются для отопления помещений и сушки сельскохозяйственной продукции.
Солнечные коллекторы-концентраторы в своей конструкции имеют специальные отражатели определенной формы, которые собирают и фокусируют энергию Солнца, что дает возможность достигать высоких эксплуатационных температур.
Фотоэлектрические системы:
Фотоэлектрические системы (солнечные панели) – это устройства, которые преобразуют энергию Солнца в электрическую энергию, которую можно сразу же использовать или аккумулировать.
Такие системы достаточно адаптивны, по сравнению с другими видами установок преобразования энергии Солнца. Солнечные панели могут быть помещены на крыши и стены зданий, на машины, дороги и рекламные щиты.
Фотоэлектрические системы имеют следующие преимущества: отсутствие шума при работе; простой монтаж; требуют малых усилий для обслуживания; достаточно надежны, так как сами панели не имею механических устройств; могут иметь различные размеры; легко масштабируются для промышленных условий; обеспечивают гибкость в различных конструкциях.
Солнечные панели применяются в быту и промышленности для экономии электроэнергии или в местах, где нет электрических сетей. Они могут использоваться в портативной электронике, в дорожных покрытиях, для уличных фонарей, электромобилей и авиации.
Максимальная полезная работа солнечной батареи зависит от угла падения солнечных лучей. В идеале они должны постоянно попадать на солнечную панель под углом в 90 градусов. Эффективность работы солнечной батареи падает даже в ясную погоду, если угол начинает отличаться от 90 градусов, а так же при попадании тени на фотогальванические модули.
Устройство солнечной панели:
Солнечная панель состоит из полупроводниковых элементов, которые напрямую преобразуют солнечную энергию в постоянный электрический ток, который направляется на шины или точечные контакты. Полупроводниковые элементы формируются в модули. Ряды или группы элементов могут быть соединены между собой параллельно или последовательно. При этом номинальное напряжение солнечной панели в итоге составляет, как правило, 12В или 24В.
Фотоэлемент по своей работе похож на фотодиод, но область кристалла у него достаточно большая по сравнению с фотодиодом. Каждый модуль на выходе имеет определенный постоянный ток на основе принятых стандартов. Эффективность модуля определяется его областью. В фотоэлектрическом элементе, из которых состоит модуль, обычно используется кремний. Поскольку чистый кремний блестящий, он может отразить до 35 процентов солнечного света, который попадает на него. Для уменьшения потерь солнечного света, на кремниевую пластину помещается покрытие, которое уменьшает отражение. Покрытия, которые обычно используются – это диоксид титана и окись кремния, хотя можно использовать и другие.
Соединение панелей между собой осуществляется с помощью кабельных разъемов, которые имеют конструкцию, позволяющую быстро замыкать и размыкать отдельные участки панелей.
Основные типы солнечных панелей:
Солнечные панели делятся на три основных типа:
– монокристаллические;
– поликристаллические;
– тонкопленочные.
Монокристаллические солнечные панели создаются на основе монокристаллов кремния. Кремний, кстати, является основным материалом для производства твёрдотельной электроники. Такие панели являются более эффективными в работе.
Солнечные панели, сделанные из поликристаллических ячеек, имеют меньшую эффективность работы, но со временем все больше становятся конкурентоспособными монокристаллическим.
Тонкопленочные солнечные панели – это более новое направление. Данные панели имеют такое название, потому что при их создании распыляется фотоэлектрическая смесь на тонкую металлическую подложку. Их преимущество в том, что этот материал может быть сделан быстро и в большом объеме. Поскольку тонкопленочный материал солнечной батареи гибок, он может принять особую форму, и применятся более широко. Но эффективность работы таких панелей ниже относительно других типов.
Бытовая солнечная электростанция и ее устройство:
Солнечная бытовая электростанция предназначена для преобразования энергии Солнца с помощью устройств, которые позволяют получить эксплуатационное электричество напряжением 220 Вольт для домашней техники.
Солнечная бытовая электростанция в своем составе имеет:
– солнечные панели, из которых выходит постоянный ток;
– аккумуляторные батареи, которые хранят электрический заряд;
– контроллер, который регулирует заряд аккумулятора;
– инвертор, который преобразует постоянный электрический ток с батарей в переменный электрический ток напряжением 220 В.
Другие виды солнечных устройств:
Солнечные башни – это устройства для преобразования солнечной энергии с помощью системы зеркал с устройством для отслеживания положения Солнца или без него.
Зеркала отражают и направляют солнечный свет в одну точку. Полученная концентрированная энергия преобразуется в электрическую за счет паровой, газовой турбины, или двигателя Стирлинга.
Солнечные тарелки – это устройства, состоящие из отражателя тарельчатой формы и приемника, где приёмник располагается в области сконцентрированного отражателем солнечного света. Приемник нагревается и преобразует энергию Солнца в электричество.
Солнечно-вакуумные установки – это конструкции из полой башни и стеклянного участка вокруг нее, использующие энергию воздушного потока, который создается за счет разницы температур между основанием конструкции и высшей ее точной.
В основании конструкции воздух нагревается солнцем в закрытом прозрачными стёклами участке. Внутри башни расположены турбины, которые вращаются за счет восходящего потока воздуха.
Солнечные водоемы – это водоемы, которые собирают солнечную энергию. Они не используют системы слежения, зеркала, и не концентрируют лучи Солнца, как другие технологии преобразования солнечной энергии.
Есть два типа солнечных водоемов.
Первый тип солнечного водоема – градиентный, он имеет плавный переход от нижних соленых, нагретых солнцем слоев к верхним, которые не соленые.
В самом основании водоема находится темный слой, который поглощает тепло. Это слой обычно сделан из бутилкаучука или другого темного материала.
Вода, которая нагрета солнцем, остается в основание солнечного водоема. Слои, которые находятся близко к поверхности, остаются без изменений. Между вершиной и основанием солнечного водоема имеется значительный перепад температур. При этом в основании водоема температура может доходить до 93 C.
Тепло из солнечного водоема извлекается теплообменником у основания водоема. Эта тепловая энергия может преобразовываться в электрическую с помощью паровой турбины низкого давления.
Второй тип солнечного водоема – мембранный, он подобен градиентному, но с физическим разделением слоев воды. Они отделены тонкими и прозрачными мембранами. Разделение слоев физически предотвращает конвекцию. В мембранном водоеме созданное тепло собирается из нижних слоев водоема.
Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com