Сонячна енергія як альтернативне джерело енергії - схеми

У природі енергія присутня практично скрізь - вітер, вода, земля і сонце - це альтернативні і відновлювані джерела енергії. Але основним завданням людства є створення пристосувань, які можуть витягти її звідти, саме цим займається альтернативна енергетика.

Людство досягло неймовірних успіхів у цьому напрямку, на сьогоднішній день такі установки можна виготовити самостійно для свого будинку. Навіщо потрібні ці пристрої, і що можна виготовити своїми руками?

Блок: 1/10 | Кол-во символів: 503Істочник: https://solar-energ.ru/vidy-alternativnyh-istochnikov-energii.html

Особливості перетворення

Недопрацюванням сучасної науки є нездатність прямого споживання енергії сонця. З цієї причини розроблені спеціальні прилади, що забезпечують перетворення сонячної енергії в електричну або теплову. У першій згадці йдеться про батареї, а в другій - про колекторів.

Сьогодні розроблено кілька варіантів перетворення:

• Термівітряна енергетика. В її основі лежить використання енергії сонця для отримання потоку повітря, що направляється в турбогенератор. Популярність отримують електростанції аеростатного типу, в яких генерується водяний пар, завдяки нагріву аеростатної поверхні зі спеціальним покриттям. Перевага методики полягає в здатності накопичувати необхідний обсяг пари для забезпечення роботи системи навіть у темний час доби, при відсутності сонячного світла.
• Фотовольтаїка. Особливість методики полягає в застосуванні спеціальних панелей, що мають фотоелектричну базу. Представники - сонячні батареї. В основі виробів лежить кремній, а товщина робочої поверхні дорівнює кільком десятим міліметра. Розміщувати конструкції можна в будь-якому місці. Головною умовою є максимальний вступ променів.

Крім фотопластин, для перетворення сонячної енергії можуть використовуватися тонкоплівкові панелі, що володіють меншою товщиною. Їх головним недоліком є невелика ефективність.

• Геліотремальна енергетика - напрямок, суть якого полягає в поглинанні світла поверхнею з подальшим фокусуванням тепла для нагріву. У побутовій сфері цей вид перетворення сонячної енергії використовується для прогрівання. У промисловості ця методика застосовується для отримання електрики за допомогою теплових машин.

Блок: 2/5 | Кол-во символів: 1722Істочник: https://aeteh.ru/energy/article/chto-takoe-solnechnaya-energiya

Необхідність використання нових джерел енергії

Розвиток енергетики і технологічний прогрес призвели до постійного зростання попиту на енергоресурси. До 60-х років минулого століття основним джерелом енергетики була нафта. Криза 1973 року показала, що орієнтація на один вид ресурсу може спричинити непередбачені ситуації. Багато економічно розвинених країн розробили нову енергетичну стратегію, яка ґрунтується на диверсифікації енергетичних джерел.

З цього часу вчені приділяють велику увагу проблемам всесвітнього енергозбереження та вивчення можливостей застосування нетрадиційних альтернативних джерел енергії.

Блок: 2/10 | Кол-во символів: 657Істочник: https://solar-energ.ru/vidy-alternativnyh-istochnikov-energii.html

Сонце як альтернативне джерело енергії

Енергія сонця є одним з найбільш доступних відновлюваних джерел на Землі. Використання сонячної енергії в народному господарстві позитивно позначається на стані навколишнього середовища, оскільки для її отримання не потрібно бурити свердловини або розробляти шахти. До того ж, цей вид енергії вільний і не вартий нічого. Природно, що потрібні витрати на покупку і монтаж обладнання.

Проблема в тому, що сонце - це уривчасте джерело енергії. Так, що потрібно накопичення енергії і використання її в зв'язці з іншими енергетичними джерелами. Основна проблема на сьогоднішній день полягає в тому, що сучасне обладнання має низьку ефективність перетворення енергії сонця в електричну і теплову. Тому всі розробки спрямовані на те, щоб збільшити ККД таких систем і знизити їх вартість.

Ось воно - відновлюване джерело енергії

До речі, дуже багато ресурсів на планеті являють собою похідні від сонячної енергії. Наприклад, вітер, який є ще одним відновлюваним джерел, не дув би без сонця. Випаровування води і накопичення її в річках також відбувається під дією сонця. А вода, як відомо, використовується гідроенергетиці. Біопалива також не було б без сонця. Тому, крім прямого джерела енергії, сонце впливає на інші сфери енергетики.

Сонце відправляє до поверхні нашої планети радіацію. З широкого спектру випромінювання поверхні Землі досягають 3 типу хвиль:

• Світлові. У спектрі випромінювання їх приблизно 49 відсотків;
• Інфрачервоні. Їх частка також 49 відсотків. Завдяки цим хвилям наша планета нагрівається;
• Ультрафіолетові. У спектрі сонячного випромінювання їх приблизно 2 відсотки. Вони невидимі для нашого ока.

Блок: 2/7 | Кол-во символів: 1751Істочник: https://akbinfo.ru/alternativa/solnechnaja-jenergija.html

Екскурс в історію

Як розвивалася сонячна енергетика до наших днів? Про використання сонця у своїй діяльності людина думала з давніх часів. Всім відома легенда, згідно з якою Архімед зрідив флот неприятеля біля свого міста Сіракузи. Він використовував для цього запальні дзеркала. Кілька тисяч років тому на Близькому сході палаци правителів опалювали водою, яка нагрівалася сонцем. У деяких країнах морська вода на сонці випарувала сіль. Вчені часто проводили досліди з нагрівальними апаратами, що працюють від сонячної енергії.

Перші моделі таких нагрівачів випустили в XVII століттях. Зокрема, дослідник Н. Соссюр представив свою версію водонагрівача. Він являє собою ящик з дерева, накритий скляною кришкою. Вода в цьому пристрої підігрівалася до 88 градусів Цельсія. У 1774 році О.Лавуазьє використовував лінзи для концентрації тепла від сонця. І також з'явилися лінзи, що дозволяють локально розплавити чавун за кілька секунд.

Батареї, що перетворюють енергію сонця на механічну, створили французькі вчені. Наприкінці XIX століття дослідник О. Мушо розробив інсолятор, який фокусує промені за допомогою лінзи на паровому котлі. Цей котел використовувався для роботи друкарської машини. У США в той час вдалося створити агрегат, що працює від сонця, потужністю в 15 «коней».

Інсолятор О. Мушо

Довгий час інсолятори випускалися за схемою, що використовує енергію сонця для перетворення води в пар. І перетворена енергія використовувалася для здійснення будь-якої роботи. Перший пристрій, що перетворює сонячну енергію в електричну, було створено 1953 року в США. Воно стало прообразом сучасних сонячних батарей. Фотоелектричний ефект, на якому заснована їх робота, був відкритий ще в 70-ті роки XIX століття.

У тридцяті роки минулого століття академік СРСР О.Ф. Іоффе запропонував використовувати напівпровідникові фотоелементи для перетворення енергії сонця. ККД батарей у той час був менше 1%. Минуло багато років до того, як були розроблені фотоелементи, що мають ККД на рівні 10 ст.1 15 відсотків. Потім американці побудували сонячні батареї сучасного типу.

Для отримання більшої потужності сонячних систем низький ККД компенсується збільшеною площею фотоелементів. Але це не вихід, оскільки кремнієві напівпровідники у фотоелементах досить дорогі. При збільшенні ККД зростає вартість матеріалів. Це є головною перешкодою для масового використання сонячних батарей. Але в міру виснаження ресурсів їх використання буде все більш вигідним. Крім того, дослідження щодо збільшення ККД фотоелементів не припиняються.

Фотоелемент для сонячної батареї

Варто сказати, що батареї на основі напівпровідників досить довговічні і не вимагають кваліфікації для догляду за ними. Тому їх найчастіше використовують у побуті. Є також цілі сонячні електростанції. Як правило, вони створюються в країнах з великою кількістю сонячних днів у році. Це Ізраїль, Саудівська Аравія, південь США, Індія, Іспанія. Зараз є і зовсім фантастичні проекти. Наприклад, сонячні електростанції поза атмосферою. Там сонячне світло ще не втратило енергію. Тобто, випромінювання пропонується вловлювати на орбіті і потім переводити в мікрохвилі. Потім у такому вигляді енергія відправлятиметься на Землю.

Блок: 3/7 | Кол-во символів: 3266Істочник: https://akbinfo.ru/alternativa/solnechnaja-jenergija.html

Освоєння нетрадиційних джерел

До нетрадиційних джерел енергії належать:

• енергія сонця;
• енергія вітру;
• геотермальна;
• енергія морських припливів і хвиль;
• біомаси;
• низькопотенційна енергія навколишнього середовища.

Їх освоєння представляється можливим завдяки повсюдній поширеності більшості видів, можна відзначити також їх екологічну чистоту і відсутність експлуатаційних витрат на паливну складову.

Однак існують і деякі негативні якості, які перешкоджають застосуванню їх у виробничих масштабах. Це - невелика щільність потоку, яка змушує застосовувати «перехоплюючі» установки великої площі, також мінливість у часі.

Все це призводить до того, що подібні пристрої мають велику матеріаломісткість, а значить, збільшуються і капіталовкладення. Ну, а процес отримання енергії через деякий елемент випадковості, пов'язаний з погодними умовами, завдає чимало неприємностей.

Іншою найважливішою проблемою залишається «збереження» цієї енергетичної сировини, оскільки існуючі технології акумулювання електроенергії не дозволяють зробити це у великих кількостях. Тим не менш, в побутових умовах альтернативні джерела енергії для дому користуються все більшою популярністю, тому ознайомимося з основними енергоустановками, які можна встановити в приватному володінні.

Блок: 3/10 | Кол-во символів: 1353Істочник: https://solar-energ.ru/vidy-alternativnyh-istochnikov-energii.html

Сонячні батареї

Сонячна панель складається з комплексу з'єднаних елементів, які перетворюють сонячне світло на потік електронів. Характерною особливістю є той факт, що вони не в змозі генерувати струм високої напруги. Окремий елемент виробляє струм напругою до 0,55 В, а одна батарея виробляє струм напругою до 21 В, який дозволяє живити 12-вольтову акумуляторну батарею.

Природно, для забезпечення будинку електроенергією буде потрібна система, що налічує десятки таких пристроїв. Також до її складу входять такі компоненти:

• контролер для управління зарядкою акумуляторної батареї, запобігає повторному заряду;
• інвертор, що перетворює струм з низького на високу напругу;
• акумулятор.

Всі три елементи краще придбати в готовому вигляді, ну, а сонячну батарею можна виготовити самостійно.

Процес виготовлення батареї

Батарея збирається з модулів, що складаються з 30, фотоелементів. Вони з'єднуються послідовно з джерелом живлення, його максимальна напруга становить 50 В.

Етапи робіт:

1. З фанери вирізається дно корпусу і вставляється в рамку, по периметру якої висверлюються отвори. Вони необхідні для забезпечення вентиляції та запобігання перегріву під час роботи.
2. Підкладка для сонячних елементів вирізається за розміром корпусу, тут також необхідно передбачити наявність отворів.
3. Корпус пофарбовується і висушується, після цього на нього викладаються вгору ногами сонячні елементи і запаюються.
4. Елементи з'єднуються для початку рядами, потім вони з'єднуються до струмоведучих шин.
5. Перевернуті елементи фіксуються за допомогою силікону.

Величина вихідного напруження повинна становити близько 18-20 В, в цьому потрібно попередньо переконатися. Також протягом декількох днів перевіряється працездатність батареї, тільки після цього виконується герметизація стиків і збирається система електропостачання.

Під час встановлення панелі зверніть увагу на таке:

1. Не розташовувати батарею в тіні дерев або високих споруд.
2. Створити орієнтацію батареї в бік сонця.
3. Правильно визначити нахил.
4. Забезпечити доступність для своєчасного видалення пилу, бруду та шару снігу.
5. Передбачити підставку, що регулює кут нахилу для зимового і літнього сезону.

Блок: 4/10 | Кол-во символів: 2245Істочник: https://solar-energ.ru/vidy-alternativnyh-istochnikov-energii.html

Альтернативний проект з використання сонячної енергії

Використання сонячної енергії не обмежується кремнієвими батареями. Існує ще одна схема джерела альтернативної енергії на основі сонячної теплової енергії. На відміну від напівпровідникових панелей з прямим перетворенням світла в електрику, в основі альтернативної системи використовується тепло, одержуване в декількох теплових сонячних колекторах.

Розігріта до 120оС вода або етиленгліколь надходить у бойлер-теплообмінник, розташований у підвалі будинку. Частина тепла віддається легкокиплячій рідині - бутану або фреону, яка прямує на невеликий електрогенератор з вихоровою турбіною, а частина накопичується в масивному теплоакумуляторі, заповненому розплавленим парафіном.

Вартість однієї такої альтернативної установки приблизно на 60-70% більша, ніж для системи з кремнієвими панелями. За відгуками виробників, навіть при вищій ціні попит на альтернативне джерело енергії значно вище, ніж на кремнієві панелі:

• Ресурс конструкції за умови щорічного обслуговування становить понад 50 років;
• ККД альтернативної установки на сонячній енергії в 2,5 рази вище, ніж у сучасної побутової сонячної батареї.

Замість дорогих літій-іонних батарей в системі використовується дешевий теплоакумулятор, здатний запасати енергію до 150 кВт/год в електричному еквіваленті. Це означає, що навіть в зимовий час, в умовах негоди і самого похмурого неба, альтернативне джерело енергії здатне опалювати приміщення площею 40-50 м2 протягом 24-30 год. Єдиним істотним недоліком тепломеханічного джерела енергії є необхідність вдаватися до послуг сертифікованих фахівців для монтажу і регулярного обслуговування системи.

Блок: 4/19 | Кол-во символів: 1737Істочник: https://bouw.ru/article/alternativnye-istochniki-energii-dlya-doma

Переваги та недоліки сонячної енергії

Переваги

• Безкоштовно. Одна з головних переваг енергії сонця - це відсутність плати за неї. Сонячні панелі робляться з використанням кремнію, запасів якого досить багато;
• Немає побічної дії. Процес перетворення енергії відбувається без шуму, шкідливих викидів і відходів, впливу на навколишнє середовище. Цього не можна сказати про теплову, гідро та атомну енергетику. Всі традиційні джерела в тій чи іншій мірі завдають шкоди ОС;
• Безпека і надійність. Обладнання довговічне (служить до 30 років). Після 20, 25 років використання фотоелементи видають до 80 відсотків від свого номіналу;
• Рециркуляція. Сонячні панелі повністю переробляються і можуть бути знову використані у виробництві;
• Простота обслуговування. Обладнання досить просто розгортається і працює в автономному режимі;
• Добре адаптовані для використання в приватних будинках;
• Естетика. Можна встановити на даху або фасаді будівлі не на шкоду зовнішньому вигляду;
• Добре інтегруються в якості допоміжних систем енергопостачання.

Недоліки

• Ефективність залежить від часу доби і погоди. Нерентабельно використовувати у високих широтах;
• Потрібно акумулювати перетворену енергію;
• Початкові долучення високі. Особливо це відчутно для звичайних людей при купівлі обладнання для приватного будинку;
• Періодично потрібно робити очищення панелей від забруднення;
• Для розміщення потрібна велика площа;
• Деякі фотоелементи мають у своєму складі Pb, Cd, миш'як, що ускладнює і переробку.

Блок: 5/7 | Кол-во символів: 1531Істочник: https://akbinfo.ru/alternativa/solnechnaja-jenergija.html

Енергія вітру

Використання повітряних потоків в якості вітрового навантаження дозволяє домагатися дуже високих потужностей, в межах від 1-15 кВт на одну вежу. Класична система отримання альтернативної енергії з використанням вітру складається з трьох складових:

• Металева або бетонна щогла з поворотною платформою;
• Повітряний гвинт, з'єднаний механічною трансмісією з електрогенератором;
• Акумуляторна батарея з системою перетворення струму.

Вартість вітрової електроенергії залежить від розмірів конструкції, чим більше висота, на яку піднято гвинт, тим вища ефективність джерела альтернативної енергії. Для альтернативної установки потужністю 50 кВт/год, піднятої на щоглу в 50 м, ціна виробленої «повітряної» електроенергії порівнянна з тарифом теплової електростанції.

Для приватного будинку можливості використання вітру як альтернативного джерела значно скромніші. Наприклад, найпростіша вітрова установка з висотою щогли в 4,5 м і діаметром чотирилопастного гвинта в 2 м, при вітрі в 12 м/с видає не менше 800-900 Вт/год. Чотири вітроустановки здатні замінити дороге джерело енергії на сонячних кремнієвих панелях площею 20 м2. При цьому вартість альтернативної енергії буде вдвічі вищою від мережевого тарифу.

Найпростіша установка отримання альтернативної енергії з гвинтом діаметром всього 70 см, встановлена на балконі п'ятого поверху, дозволяє отримати 200 Вт/год навіть в умовах несильного вітру. Виготовити альтернативні джерела енергії для дому своїми руками не складе особливої праці, необхідно тільки спроектувати гвинт спеціальної конфігурації, щоб максимально знизити рівень шуму.

У Китаї малогабаритні установки з гвинтом 50 см широко використовуються як альтернативне джерело електроенергії для живлення ліхтарів вуличного освітлення і ретрансляторів бездротового інтернету, систем сигналізації та камер спостереження на парковках і автомагістралях. Коштує така «крихта» в 10 разів дешевше кремнієвої панельки аналогічної потужності, а працює практично в будь-яку погоду, навіть без акумуляторів.

При вдалому виборі місця під розміщення щогли вітряна електростанція в якості альтернативного джерела електроенергії окупається протягом 2-3 років. Висота щогли повинна становити не менше 10-12 м, а діаметр лопатей - 2,5-3 м. Дві вишки здатні виробляти до 5 кВт/год при середньому вітрі.

Вітроустановки відмінно працюють у степовій і гористій місцевості, в умовах щільної міської та приміської забудови їх ефективність знижується на 30-40%. Єдиним недоліком вітроустановки залишається високий рівень зашумленості. Системи потужністю близько 1 кВт здатні генерувати шум, порівнянний з децибелами працюючого дизельного автомобіля.

Блок: 5/19 | Кол-во символів: 2681Істочник: https://bouw.ru/article/alternativnye-istochniki-energii-dlya-doma

Сфери застосування сонячної енергії

Напрямків використання досить багато. Нижче розглядаються найбільш затребувані і поширені.

Енергопостачання приватного будинку

Зовсім недавно такі системи були чимось із фантастичних фільмів. Але зараз у багатьох можна зустріти комплекти сонячних модулів на даху або фасаді будинку. ККД таких систем поки що не перевищує 10 15 відсотків. Напруга вольту. Але для приватного будинку або дачі цього цілком достатньо.

Тут варто сказати, що сучасні панелі виробляють електрику навіть у сутінках і похмуру погоду. Заряду акумуляторних батарей вистачає на темний час доби. Крім того, сонячні панелі підключаються як допоміжні, і при необхідності їх підміняє основна енергетична система.

Сонячний колектор для опалення та гарячого водопостачання

Тут енергія сонця перетворюється на теплову. Напевно, у багатьох на дачній ділянці є душ з металевим баком нагорі. Він нагрівається від сонця і можна миття нагрітою водою. Це найпростіший варіант такого колектора.

Але сучасні системи працюють значно ефективніше. У них є поглинаючий елемент, який передає теплову енергію теплоносієві. Є варіанти з водою і повітрям в якості теплоносія.