Вопрос Эксплуатация каких технических систем возобновляемой энергетики основана на преобразовании солнечной энергии?

Количество солнечной энергии, поступающей на Землю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и других энергетических ресурсов. Использование всего лишь 0,0125 % могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% - полностью покрыть потребности в будущем. Преимущества технологий, использующих энергию солнца, в том, что при работе солнечных установок практически не добавляется тепло в приземные слои атмосферы, не создается тепличный эффект и не происходит загрязнения воздуха. Но у солнечной энергии есть недостаток - ее зависимость от состояния атмосферы, времени суток и года.

Используют солнечную энергию в основном двумя методами - в виде тепловой энергии путем применения различных термосистем или посредством фотохимических реакций.

Наибольшее распространение в мире получили технологии использования солнечной энергии для горячего водоснабжения и отопления. Для этих целей достаточна низкотемпературная энергия. Установки и системы солнечного теплоснабжения делятся на пассивные и активные.

В пассивных системах поглощение и аккумулирование солнечной энергии осуществляется непосредственно элементами строительных конструкций зданий при незначительном использовании дополнительных устройств или без них. Человек на протяжении своей истории давно научился использовать солнечное тепло при строительстве своего жилища. Во многих странах для зданий характерны толстые стены, аккумулирующие энергию, и ориентация окон на солнечную сторону. Уже в наше время были разработаны усовершенствования этой "системы". Стена, обращенная на юг, окрашивается в черный цвет, перед стеной располагается остекленная поверхность, а между ними остается воздух, который нагревается и циркулирует в доме путем конвекции. Вместо каменной стены может быть "водяная стена", состоящая из наполненных водой резервуаров из стекловолокна.

Активные системы основаны на использовании коллекторов, устройств преобразующих солнечную энергию в тепло. Плоский солнечный коллектор состоит из поглощающей энергию плиты, остекления, и расположенных между плитой и стеклом труб. По трубам с помощью насоса циркулирует нагревающаяся жидкость.

Солнечные коллекторы могут использоваться в целом ряде низкотемпературных процессов. Например, в пищевой промышленности для пастеризации продуктов, для мойки банок, бутылок, для стирки белья в прачечных, сушки сельскохозяйственных продуктов и даже зданий.

Для получения высокой температуры или совершения механической работы применяют отражающие солнечные коллекторы, концентрирующие тепло и свет солнца и следящие за его перемещением. В таких коллекторах применяются либо зеркала, либо линзы. Зеркала могут быть параболическими, параболоидными или сферическими. Сконцентрированный солнечный свет попадает на центральный теплоприемник и нагревает жидкость, которая прокачивается насосом. В эту систему входит и бак-аккумулятор для нагретой жидкости.

Основная проблема широкого использования солнечных тепловых установок связана с их экономической эффективностью и конкурентоспособностью по сравнению с традиционными системами. Стоимость энергии, вырабатываемая солнечными установками более высока, чем стоимость энергии, получаемая при использовании традиционного топлива. Но для районов, удаленных от централизованного энергоснабжения, использование солнечных коллекторов экономически более выгодно.

Более эффективный путь использования солнечной энергии - непосредственное преобразование ее в электрическую в фотоэлементах. Фотоэлементы представляют собой светочувствительные пластины из полупроводникового материала: селена, кремния, арсенида галлия, диселенида кремния и т.д. Фотоэлектричество производится, когда частицы света (фотоны), поглощенные полупроводником, создают электрический ток. Солнечные батареи могут быть различной мощности - от портативных установок в несколько ватт до многоваттных электростанций, покрывающих миллионы квадратных метров площади.

Для того, чтобы не зависеть от суточного и сезонного солнечного цикла и состояния атмосферы существуют технические методы накопления энергии такие как: электрохимическое накопление аккумуляторами, механическое накопление (с помощью вращающихся маховиков) и в форме водорода. Также возможно сочетание фотоэлементов с другими источниками энергии, например, наиболее вероятно сочетание с ветровыми установками, а также с системами на ископаемом топливе.

Фотоэлектрические системы (солнечные батареи) требуют минимального обслуживания, в них не используется вода, и поэтому они хорошо приспособлены для отдаленных и пустынных районов. Этот способ преобразования солнечной энергии является долговечным и экологически чистым, а также сам может быть использован для улучшения экологической обстановки в месте использования, а в перспективе - и для регулирования экологических условий на больших территориях.

Основные потребности в солнечных батареях включают: освещение, работу бытовой электротехники (радио, телевизор, холодильник), насосов для подъема воды в удаленных сельских районах; энергообеспечение экологически чистых зон массового отдыха и лечения; обеспечение радио- и телекоммуникационных систем, маяков, буев. Установки использования солнечной энергии не только могут быть экологически чистыми, но и иметь положительное влияние на другие сферы жизни. Например, использование солнечных батарей в жарких пустынных районах в качестве "солнечного зонтика" обеспечивает благоприятные условия для выращивания под ним бахчевых и цитрусовых культур, для которых целесообразно использовать не слишком интенсивное солнечное излучение. Другим примером является использование солнечных батарей или солнечных коллекторов как строительных элементов в качестве облицовочных панелей фасадов зданий ("солнечных домов").

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.